/
Автор: Антипов С.Т. Акопян В.Б. Мачихин С.А.
Теги: общее машиностроение технология машиностроения машиноведение машиностроение экология энциклопедия пищевая промышленность санитария
ISBN: 5-217-03181-6
Год: 2003
Текст
МАШИНОСТРОЕНИЕ
ЭНЦИКЛОПЕДИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
ЭНЦИКЛОПЕДИЯ
MECHANICAL ENGINEERING
Encyclopaedia
Главный редактор академик РАН
К.В. Фролов
МАШИНОСТРОЕНИЕ
ЭНЦИКЛОПЕДИЯ
В СОРОКА ТОМАХ
РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ
ФРОЛОВ К.В.
Председатель редакционного совета
Члены совета:
Белянин П.Н. (зам. Председателя редсовета и главного
редактора), Колесников К.С. (зам. Председателя редсовета
и главного редактора), Адамов Е.О., Анфимов Н.А.,
Асташов В.К., Бессонов А.П., Бюшгенс Г.С.,
Васильев В.В., Васильев Ю.С., Воронин Г.П.,
Глебов И.А., Долбенко Е.Т., Жесткова И.Н.,
Кирпичников М.П., Клюев В.В., Коптев Ю.Н.,
Ксеневич И.П., Мартынов И.А., Митенков Ф.М.,
Новожилов Г.В., Носов В.Б., Образцов И.Ф.,
Панин В.Е., Паничев Н.А., Патон Б.Е., Пашин В.М.,
Платонов В.Ф., Пугин Н.А., Румянцева О.Н.,
Силаев И.С., Федосов Е.А., Фортов В.Е., Черный Г.Г.,
Шемякин Е.И.
МОСКВА “МАШИНОСТРОЕНИЕ” 2003
Раздел IV
РАСЧЕТ
И КОНСТРУИРОВАНИЕ МАШИН
Том IV-17
МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
ПИЩЕВОИ
И ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕЙ
ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Редактор-составитель д-р техн, наук
С.А. Мачихин
Ответственный редактор д-р техн, наук
А.П. Бессонов
Редакторы тома: В.А. Панфилов, Т.В. Чижикова, В.И. Денисов (Общетехнические
вопросы создания пищевого оборудования), В.Г. Жуков, А.М. Васильев,
Л.А. Глебов (Оборудование для осуществления механических процессов),
ИА. Рогов, Ю.В. Космодемьянский (Оборудование для осуществления тепло-,
массообменных процессов и электрофизической обработки)
МОСКВА “МАШИНОСТРОЕНИЕ” 2003
УДК 621.01/03
ББК 34.44
М38
Авторы: С.А. Мачихин, В.Б. Акопян, С.Т. Антипов, Б.С. Бабакин,
Н.В. Баринов, А.Н. Белоусов, Л.А. Белякова, Г.К. Берман, С.А. Бредихин,
А.М. Васильев, В.Ф. Веденьев, В.В. Воробьев, Д.Е. Воронов, Л.А. Глебов,
В.Н. Глухман, В.И. Горбатюк, Э.С. Гореньков, В.И. Денисов, А.Д. Джабра-
илов, В.Г. Дулаев, В.Г. Жуков, И.Н. Заплетников, А.В. Иванов, Н.И. Исаев,
Г.Д. Кавецкий, В.А. Карамзин, Ю.В. Космодемьянский. Е.П. Кошевой,
А.А. Кулмырзаев, Н.Д. Лукин, В.И. Маклюков, В.К. Мамыкин, Л.И. Ма-
нихина, В.А. Медведев, В.Г. Михайленко, Б.Л. Николаев, Л.К. Николаев,
Ю.И. Новокшонов, С.М. Носенко, Ю.М. Огурцов, А.Н. Остриков, В.А. Пан-
филов, Ю.А. Пертен, Ю.М. Плаксин, Н.В. Рассохин, И.А. Рогов, Г.В. Се-
менов, С.В. Сорокин, А.Н. Стрелюхина, В.А. Сукманов, С.Г. Тарасов,
О.А. Ураков, Ю.Ф. Фофанов, Т.В. Чижикова, С.В. Чувахин
Рецензенты: Н.Р. Андреев, И.Г. Голубев, Г.Е. Лимонов, Ю.И. Макаров,
С.П. Рудобашта, А.В. Пуш
Рабочая группа Редакционного совета: К.С. Колесников,
П.Н. Белянин, В.В. Васильев, В.К. Асташов, А.П. Бессонов,
Н.Н. Боброва, Е.Т. Долбенко, И.Н. Жесткова, Г.В. Москвитин
Машиностроение. Энциклопедия/ Ред. совет: К.В. Фролов (пред.) и др. - М.:
М38 Машиностроение.
Машины и оборудование пищевой и перерабатывающей промышленности.
Т. IV-17/ С.А. Мачихин, В.Б. Акопян, С.Т. Антипов и др.; Под ред. С.А. Мачихина.
2003.-736 с., ил.
Рассмотрены особенности проектирования оборудования, связанные с обеспече-
нием качества пищевых продуктов, реологическими свойствами пищевых сред, тре-
бованиями безопасности, санитарии, экологии и др. Приведены основные типы тех-
нологических линий, машин и аппаратов, предназначенных для подготовки, транс-
портирования, упаковки, хранения, осуществления механических процессов - измель-
чения, резки, разделения, прессования и формования, образования многокомпонент-
ных продуктов, а также оборудование для тепловой, электрофизической обработки
пищевых материалов и др. Даны упаковочные технологические системы.
УДК 621.01/03
ББК 34.44
ISBN 5-217-03181-6 (T.IV-17)
ISBN 5-217-01949-2
© Издательство «Машиностроение», 2003
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ (СА. Мачихин). 10
ВВЕДЕНИЕ (В.А. Карамзин). 11
Раздел 1. общетехнические
ВОПРОСЫ СОЗДАНИЯ
ПИЩЕВОГО ОБОРУДОВА-
НИЯ................ 15
Глава Г ОСНОВНЫЕ ТИПЫ И
НАЗНАЧЕНИЕ МАШИН И
ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ
ПИЩЕВОЙ И ПЕРЕРАБА-
ТЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШ-
ЛЕННОСТИ............. 15
1Л. Классификация и основ-
ные требования, предъявляе-
мые к технологическому обору-
дованию (С.А. Мачихин). 15
1.2. Обеспечение качества пи-
щевых продуктов {А. И. Стре-
люхина)................. 17
1.3. Система машин (Л.А. Бе-
лякова)................. 29
Список литературы....... 31
Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
ЛИНИИ ПИЩЕВЫХ ПРО-
ИЗВОДСТВ............. 32
2.1. Принципы построения и
функционирования {С. Т. Ан-
типов, А.Н. Остриков, В.А. Пан-
филов, О.А. Ураков)..... 32
2.2. Расчет производительно-
сти (О. А. Ураков)...... 46
23. Комплексная техниче-
ская диагностика (Т.В. Чи-
жикова)................. 50
2.4. Техническая диагностика
в системе управления пред-
приятием (В.И. Денисов)... 52
Список литературы.......... 62
Глава 3. ОСОБЕННОСТИ ОБЕС-
ПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА И
НАДЕЖНОСТИ ОБОРУДО-
ВАНИЯ......................... 62
3.1. Реологические основы
расчетов технологического
оборудования (Г.К. Берман,
К). И. Новокшонов)......... 62
3.1.1. Свойства сыпучих
продуктов и вязкотекучих
сред 63
3.1.2. Деформация и тече-
ние вязких сред......... 64
3.1 3. Реологические модели
различных сред.......... 67
3.1.4. Релаксация напряже-
ний. Ползучесть пищевых
сред 70
3.2. Оценка технического
уровня и качества (В.А. Сук-
манов)..................... 73
3.2.1. Номенклатура и
структура свойств оборудо-
вания 74
3.2.2. Методы определения
показателей качества обо-
рудования............... 77
3.2.3. Формализация про-
цесса измерения как пер-
спектива квалиметрии... 79
3.3. Надежность машин и аг-
регатов (В.А. Сукманов)... 81
6
ОГЛАВЛЕНИЕ
3.3.1. Общие положения. 81
3.3.2. Испытания на надеж-
ность 82
3.3.3. Методы оценки пока-
зателей надежности .... 84
3.3.4. Практическая реали-
зация предлагаемых подхо-
дов при исследовании на-
дежности................ 86
3.3.5. Перспективные на-
правления повышения на-
дежности................ 89
3.4. Виброакустика техноло-
гического оборудования
(И.Н. Заплетников)......... 89
3.4.1. Прогнозирование виб-
роакустических характери-
стик 90
3.4.2. Расчет шумовых ха-
рактеристик.........,.. 97
3.4.3. Динамика технологи-
ческого оборудования об-
щественного питания для
резки 104
3.4.4. Виброакустические
процессы в картофелеочи-
стительных машинах..... 109
Список литературы......... 116
Глава 4. ОСОБЕННОСТИ ИЗГО-
ТОВЛЕНИЯ МАШИН И
ОБОРУДОВАНИЯ ПИЩЕ-
ВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
(Т. В. Чижикова)....... 118
4.1. Технологичность конст-
рукций.................... 118
4.2. Общие требования безо-
пасности, санитарии и эколо-
гии технологического обору-
дования................... 122
4.3. Материалы, применяемые
в пищевом машиностроении 126
4.4. Особенности изготовле-
ния рабочих органов пище-
вых машин (ТВ- Чижикова,
А.Н. Белоусов)............ 134
4.5. Технологические возмож-
ности повышения надежно-
сти пищевого оборудова-
ния 147
Список литературы......... 154
Раздел 2. оборудование для
ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ МЕХА-
НИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 155
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНС-
ПОРТИРОВАНИЕ И ХРА-
НЕНИЕ СЫРЬЯ И ПОЛУ-
ФАБРИКАТОВ................ 155
5.1. Машины для мойки рас-
тительного сырья (Э.С. Го-
ренъков)................. 155
5.1.1. Типы растительного
сырья. подвер! ающегося
мойке 155
5.1.2. Типы моечных машин 156
5.2. Оборудование для подго-
товки растворов и смесей
(Э.С. Гореньков)............. 162
5.2.1. Смесители жидких
пищевых продуктов......... 162
5.2.2. Смесители пластич-
ных масс.................. 165
5.2.3. Смесители сыпучих
продуктов................. 167
5.3. Машины для очистки
растительного сырья (Э.С. Го-
реньков, В. А. С у км а нов). 169
5.3.1. Основные типы ма-
шин...................... 169
5.3.2. Расчет основных па-
раметров.................. 173
5.4. Сепарирование зерна и
крупяных культур.......... 177
5.4.1. Воздушные сепарато-
ры (В. Ф. Веденьев)....... 177
5.4.2. Ситовые и сито-
воздушные сепараторы
(А.М. Васильев)........... 183
5.4.3. Триеры (А.М. Василь-
ев) 193
5.4.4. Вибропневматический
камнеотборник {Л. И. Ма-
чихина)................... 198
5.5. Оборудование для транс-
портирования сырья и полу-
фабрикатов................... 205
5.5.1. Классификация тран-
спортного оборудования
(Л.К. Николаев)................ 205
5.5.2. Насосы для переме-
щения жидких и вязких
продуктов (Л. К. Николаев) 206
5.5.3. Пневматический тру-
бопроводный и аэрозоль-
ный транспорт (С. В. Со-
рокин, Н.В. Баринов)...... 212
ОГЛАВЛЕНИЕ
7
5.5.4. Подъемно-транспорт-
ные устройства периодиче-
ского действия для переме-
щения штучных грузов
(Ю.А. Пертен)........... 219
5.5.5. Устройства непре-
рывного транспорта для
перемещения насыпных и
штучных грузов (Ю.А. Пер-
тен) 231
5.6. Оборудование для хране-
ния сырья и полуфабрикатов
(Б.Л. Николаев)............ 269
5.6.1. Оборудование для
хранения молока......... 269
5.6.2. Резервуары для хра-
нения виноматериалов и
вин 273
5.6.3. Оборудование для
хранения пищевых продук-
тов 275
5.6.4. Расчет основных па-
раметров................ 277
5.7. Оборудование для мойки
тары (Э.С. Гореньков)..... 279
Список литературы.......... 285
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕ-
ХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕС-
СОВ........................... 286
6.1. Оборудование для из-
мельчения, плющения и рез-
ки 286
6.1.1. Измельчение ударом
(Л.А. Глебов)........... 287
6.1.2. Измельчение сжатием
и сдвигом (Л. В. Иванов) 296
6.1.3. Дробление и измель-
чение на предприятиях мас-
сового питания (В.А. Сук-
манов).................. 300
6.1.4. Разделение различных
продуктов резкой на пред-
приятиях массового пита-
ния (В.А. Сукманов).... 309
6.2. Оборудование для разде-
ления сыпучих материалов ... 325
6.2.1. Машины с круговым
поступательным движением
рабочих органов в горизонталь-
ной плоскости (В.Г. Дулаев) 325
6.2.2. Крупоотделительные
машины (Д.Е. Воронов).. 329
6.2.3. Сортировочно-кали-
бровочное оборудование
предприятий массового
питания (В.А. Сукманов).... 332
6.3. Оборудование для меха-
нического разделения раз-
личных веществ................ 338
6.3.1. Отстойники (ГД. Ка-
вецкий)...................... 338
6.3.2. Фильтрование жидко-
стей и газов (ГД. Кавецкий,
В.И. Горбатюк)............. 342
6.3.3. Циклоны и скрубберы
(Н.Д Лукин)................ 354
6.3.4. Центрифугальная
роторная техника (В.Г. Жу-
ков, А.Н. Белоусов).... 373
6.3.5. Прессовое оборудова-
ние для гидромеханическо-
го отжима (Н.И. Исаев).. 398
6.4. Оборудование для обра-
зования многокомпонентных
продуктов.................... 412
6.4.1. Классификация, ос-
новные типы (С.В. Чувахин) 412
6.4.2. Машины для переме-
шивания средне- и высоко-
вязких материалов (С.В. Чу-
вахин, СМ. Носенко)..... 416
6.4.3. Машины для переме-
шивания жидких сред
(А.А. Кулмырзаев)......... 425
6.4.4. Машины для смеше-
ния сыпучих материалов
(Ю.М. Огурцов)............ 433
6.4.5. Оборудование для
перемешивания вязкопла-
стичных материалов на
предприятиях массового
питания (В.А. Сукманов).... 449
6.5. Оборудование для прес-
сования и формования
(ГК Берман, Ю.И. Новокшонов) 459
6.5.1. Классификация, ос-
новные типы.......... 459
6.5.2. Оборудование для
штампования.......... 461
6.5.3. Оборудование для
брикетирования, таблетиро-
вания ................... 464
6.5.4. Оборудование для
выпрессовывания........... 478
8
ОГЛАВЛЕНИЕ
6.5.5. Оборудование для
формообразования (ГК. Бер-
ман, В.А. Сукманов).... 490
6.5.6. Расчет ламинаторов
(В.Г. Михайленко)........ 517
Список литературы........... 524
Раздел з. оборудование для
ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ТЕП-
ЛО-, МАССООБМЕННЫХ
ПРОЦЕССОВ И ЭЛЕКТРО-
ФИЗИЧЕСКОЙ ОБРАБОТ-
КИ...................... 527
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ
ТЕПЛО- И МАССООБМЕН-
НЫХ ПРОЦЕССОВ................. 527
7.1. Оборудование для тепло-
вой обработки.............. 527
7.1.1. Классификация и
общие положения расчета
(Ю.В. Космодемьянский).... 527
7.1.2. Оборудование для
выпаривания (С.А. Бреди-
хин) 529
7.1.3. Оборудование для
пастеризации и стерилиза-
ции (С.А. Бредихин).... 537
7.1.4. Оборудование для
варки, запекания и копче-
ния (С.А. Бредихин).... 549
7.1.5. Тепловое оборудова-
ние с очищаемой рабочей
поверхностью (Л.К. Нико-
лаев) 557
7.1.6. Хлебопекарные печи
(В. И. Маклюков)........ 563
7.2. Оборудование для сушки
(Ю.В. Космодемьянский).... 580
7.2.1. Классификация, уст-
ройство и расчет........ 580
7.2.2. Оборудование для
сушки жидких материалов 582
7.3. Оборудование для холо-
дильной обработки пищевых
продуктов (Б.С. Бабакин).. 593
7.3.1. Испарители....... 593
7.3.2. Воздухоохладатели.... 597
7.3.3. Оборудование для
охлаждения.............. 602
7.3.4. Оборудование для
замораживания........... 610
7.4. Оборудование для массо-
обменных процессов........... 613
7.4.1. Классификация, об-
щие принципы расчета
(Ю.В. Космодемьянский).... 613
7.4.2. Оборудование для
экстракции в системе твер-
дое тело жидкость
(Е.П. Кошевой^ .......... 615
7.4.3. Оборудование для
очистки диффузионного
сока в производстве сахара
(С. Г. Тарасов).......... 629
7.4.4. Оборудование для кри-
сталлизации (Ю.Ф. Фофанов) 636
7.5. Оборудование для ваку-
умной сублимационной суш-
ки (Г. В. Семенов, В.Н. Глух-
ман)...................... 642
7.5.1. Общие принципы
устройства и работы субли-
мационных установок.... 642
7.5.2. Расчет процесса суб-
лимационной сушки термо-
лабильных материалов... 644
Список литературы......... 652
Глава 8. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ
ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ
МАТЕРИАЛОВ.................... 653
8.1. Электрофизические свой-
ства сырья и пищевых про-
дуктов (И.А. Рогов)....... 654
8.1.1. Особенности микро-
волновой обработки пище-
вых продуктов.......... 655
8.1.2. Влияние состава про-
дукта ................ 655
8.1.3. Влияние различных
факторов............... 656
8.1.4. Измерение диэлек-
трических свойств...... 662
8.2. Оборудование для мик-
роволновой обработки пище-
вых продуктов............. 664
8.2.1. Общие принципы
построения микроволнового
оборудования (В.К Мамы-
кин)..................... 665
8.2.2. Оборудование для
обработки мяса и мясопро-
дуктов. рыбы и морепро-
дуктов (В.К. Мамыкин.
В. В. Воробьев).......... 672
ОГЛАВЛЕНИЕ
9
8.2.3. Оборудование для
стерилизации и пастериза-
ции шампанских вин и ви-
номатериалов (Н.В. Рас-
сохин).................. 679
8.3. Оборудование для ин-
фракрасной обработки пище-
вых продуктов {Ю.М. Плак-
син) 683
8.3.1. Природа ИК-излу-
чения и воздействие его на
пищевые продукты....... 683
8.3.2. Оптические и термо-
радиационные характери-
стики пищевых продуктов... 685
8.3.3. Применение ИК-из-
лучения в пищевой про-
мышленности............. 686
8.3.4. Источники ИК-излу-
чения 688
8.3.5. Характеристики ИК-
оборудования............ 691
8.3.6. Расчет ИК-оборудо-
вания 697
8.4. Оборудование для элек-
троконтактной обработки... 698
8.4.1. Электроплазмолиза-
торы (И.А. Рогов)...... 698
8.4.2. Оборудование для
активации хлебопекарных
дрожжей (АД. Джабраилов) 700
8.5. Оборудование для ульт-
развуковой обработки пище-
вых продуктов (В.Б. Акопян)... 706
8.6. Оборудование для крио-
электросепарации пищевых
продуктов (Б. С. Бабакин). 712
Список литературы......... 719
Глава 9. УПАКОВОЧНЫЕ ТЕХ-
НОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕ-
МЫ (В.А. Медведев)............ 720
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ.......... 728
ПРЕДИСЛОВИЕ
Современные машины, в том числе ма-
шины и оборудование для пищевой и перера-
батывающих сельскохозяйственное сырье от-
раслей промышленности, являются результа-
том внедрения научно-теоретических и прак-
тических знаний, накопленных многими поко-
лениями людей за долгие годы. Связь между
успехами теоретических и точных наук и тех-
нологий, практическим воплощением техниче-
ских идей осуществляется посредством разра-
ботки научно обоснованных методов и методик
расчета и конструирования отраслевого и меж-
отраслевого оборудования.
Сложность конструирования технологи-
ческого оборудования для пищевой промыш-
ленности определяется тем, что в каждой по-
точной линии существует большой набор ма-
шин и аппаратов, в которых протекают физи-
ческие, механические, тепловые и другие про-
цессы и их сочетания, что требует от создате-
лей оборудования определенной универсаль-
ности знаний и навыков.
Кроме того, сырье для рассматриваемой
отрасли не характеризуется постоянством фи-
зических и структурно-механических парамет-
ров, что значительно усложняет процесс полу-
чения достоверных и однозначных расчетных
решений из-за наличия большого количества
действующих случайных факторов. Еще одной
сложностью создания пищевых машин являет-
ся наличие агрессивных сред и материалов, а
также материалов с высокими абразивными
характеристиками. Оба фактора вызывают
повышенный, трудно предсказуемый процесс
изнашивания рабочих органов, резко снижаю-
щий надежность машин и качество протекаю-
щих в них технологических процессов.
Материал, относящийся к конкретному
оборудованию, представлен в определенной
методической последовательности: основы
теории процесса, для которого применяются
описываемые машины и аппараты; назначе-
ние и области их применения; классификация
машин и аппаратов; описание типовых конст-
рукций машин и их основных узлов; техниче-
ская характеристика машин; определение
производительности машин и аппаратов и
особенности расчета основных узлов; некото-
рые целесообразные направления в создании
перспективного оборудования рассматривае-
мого класса.
Многообразие технологического обору-
дования (система машин для пищевой и пере-
рабатывающей промышленности насчитывает
порядка 7000 наименований для 25 подотрас-
лей) не позволяет описать их все и привести
все существующие методы расчета и конст-
руктивные решения, поэтому читателю пред-
ставлены наиболее характерные образцы ма-
шин и оборудования, в которых реализованы
последние научные достижения.
Авторы тома являются широко извест-
ными учеными и специалистами России и
стран СНГ, работниками вузов, НИИ, КБ и
проектных организаций.
Авторы надеются, что представленный
материал будет полезен специалистам конст-
рукторских бюро и заводов, занимающихся
разработкой новой техники', специалистам,
эксплуатирующим описанное оборудование',
студентам, аспирантам и научным работни-
кам, занимающимся исследованием процессов и
механики оборудования.
ВВЕДЕНИЕ
Техническая политика в отрасли машино-
строения для пищевой и перерабатывающей
промышленности, основные направления и
перспективы ее развития в развивающихся
рыночных отношениях России формируются
исходя из следующего.
1. Состояния инженерно-технической сфе-
ры обслуживаемой отрасли - пищевой и пере-
рабатывающей промышленности АПК России
и самообеспечения России продовольствием в
рамках продовольственной безопасности стра-
ны. Состояние пищевой и перерабатывающей
промышленности в конце XX века характери-
зовалось как кризисное с точки зрения научно-
технического ее развития, физического и мо-
рального износа основных промышленно-
производственных фондов. Производитель-
ность труда на отечественных предприятиях,
перерабатывающих сельскохозяйственное сы-
рье, в 2-3 раза ниже, чем на аналогичных пред-
приятиях развитых стран; около 50 % трудоем-
ких операций выполняются вручную и лишь
8 % действующего оборудования работает в
режиме автоматических линий.
Недостаточная техническая оснащен-
ность определяет высокие потери сырья в про-
цессе его переработки, неполное использова-
ние вторичных материальных ресурсов. По
состоянию на 2001 г. удельный вес продукции
глубокой переработки в общем ее объеме в
России составлял около 30 %, а в развитых
странах Европы и США - 90...98 %. Обеспе-
ченность перерабатывающих производств обо-
рудованием (по номенклатуре) отечественного
производства в России составляла около 60 %.
2. Имеющихся или находящихся в стадии
разработки достижений в области новых тех-
нологических процессов переработки и произ-
водства продуктов питания.
Следует отметить медленное внедрение
на перерабатывающих предприятиях новых
прогрессивных, энерго- и ресурсосберегающих
эффективных технологических процессов пе-
реработки сырья и получения продуктов пита-
ния нового поколения из-за почти полного
прекращения работ по созданию нового, более
совершенного оборудования.
3. Структурных сдвигов в потребности
различного оборудования: снижении потребно-
сти в высокопроизводительных линиях, ком-
плексах, установках, машинах и увеличении
потребности в оборудовании малой и средней
мощности.
4. Состояния сектора машиностроения
для пищевой и перерабатывающей промыш-
ленности. Создание и производство оборудо-
вания для пищевой и перерабатывающей про-
мышленности осуществляется предприятиями
гражданского и (по конверсии) военно-
промышленного (ВПК) комплексов. Предпри-
ятия выпускают оборудование не «узкого про-
филя» (для сахарной промышленности, для
хлебопекарной и т.д.), а специализируются по
предметному машиностроительному признаку.
Число наименований производимого продо-
вольственного оборудования колеблется от 2
до 50 и в основном характеризуется малосе-
рийностью.
5. Действующих нормативных докумен-
тов по стандартизации и сертификации маши-
ностроительной продукции для продовольст-
венных отраслей АПК России.
6. Состояния инновационных процессов в
области создания новых видов продовольст-
венной техники.
12
ВВЕДЕНИЕ
7. Основы политики страны в области
развития науки и технологий - важнейших
направлений государственной политики в этой
области до 2010 г., утвержденных Президентом
РФ: «Основы политики РФ в области развития
науки и технологий на период до 2010 г. и
дальнейшую перспективу».
Перспективы развития машиностроения
для пищевой и перерабатывающей промышлен-
ности по основным направлениям следующие.
В области создания и освоения серий-
ного производства новых видов технических
средств для пищевой и перерабатывающей
промышленности:
- создание и освоение серийного произ-
водства отечественным машиностроителем
основополагающей, жизненно необходимой
техники, обеспечивающей продовольственную
безопасность России;
- разработка и освоение технических
средств в основном для промышленной пере-
работки сельскохозяйственного сырья, так как
освоенная и поставляемая на сегодня техника
для мини-цехов в кооперативных фермерских
хозяйствах и частных предприятиях не решает
в полном объеме проблему переработки сель-
скохозяйственного сырья, является малоэффек-
тивной, а по ряду производств экологически
небезопасной. Вместе с тем для переработки
сельхозсырья и производства продуктов пита-
ния в отдаленных регионах сохраняется выпуск
малогабаритной техники;
- разработка и освоение серийного про-
изводства экологически безопасного энерго-
сберегающего оборудования, реализующего
принципиально новые технологические про-
цессы глубокой переработки и комплексного
использования пищевого сельскохозяйственно-
го сырья, в том числе переработки вторичных
сырьевых ресурсов, обеспечивающего произ-
водство продуктов питания повышенной пи-
щевой ценности, конкурентоспособных на
внутреннем и зарубежном рынках;
- создание оборудования нового поколе-
ния с использованием нетрадиционных мето-
дов воздействия на сырье (ИК, УЗ, СВЧ, вол-
новых, импульсных, вибраций и др.);
- создание технических средств для про-
изводства продуктов лечебно-профилактичес-
кого питания;
- разработка и освоение серийного про-
изводства комплектов очистного оборудования
для обеспечения замкнутого цикла производст-
ва и исключения сбросов в окружающую среду
экологически опасных отходов;
- разработка и освоение серийного про-
изводства фасовочно-упаковочного оборудова-
ния, обеспечивающего внедрение новых видов
и форм упаковочных материалов;
- разработка и освоение серийного про-
изводства нового поколения ресурсосберегаю-
щего оборудования для холодильной, тепловой
обработки, пастеризации и счерилизации гото-
вых продуктов, сырья и полуфабрикатов, обес-
печивающего сохранение их потребительских
свойств при длительном хранении;
- разработка и освоение серийного про-
изводства комплектов приборов для высоко-
точного экспресс-контроля основных показате-
лей качества технологического процесса и го-
товой продукции для всех перерабатывающих
отраслей АПК;
- определение перечня оборудования
подлежащего поставке из-за рубежа, так как в
настоящее время ни одна страна в мировой
экономике не может претендовать на позиции
по всему спектру отрасли.
В области конструирования техники.
Основой технического обеспечения прогресса
в XXI веке должна стать разработка систем
промышленных технологий и машин, а на их
основе - разработка и освоение машин и аппа-
ратов для обслуживаемой отрасли. Цикл созда-
ния высокоэффективной, соответствующей
мировому уровню техники, - от технологиче-
ского потока к системе технологических про-
цессов и системе оборудования.
В области разработки, реализации и
ведения системы машин для пищевой и пе-
рерабатывающей промышленности. Реали-
зация новой технологической и технической
политики в перерабатывающих отраслях АПК
России в условиях рынка, освоения ресурсос-
берегающих, экологически безопасных, адап-
тированных к российским условиям техноло-
гий и техники для переработки сельскохозяй-
ственного сырья и обеспечения конкуренто-
способности на мировом рынке отечественной
машиностроительной и продовольственной
продукции не могут быть осуществлены эф-
фективно без системы машин.
Стабильное серийное производство ма-
шин, их модернизация, освоение новых видов
оборудования на любом предприятии отечест-
венного продовольственного машиностроения,
не могут быть эффективными без изучения их
нахождения в системе машин и определения в
связи с этим их обоснованной потребности на
рынке, как внутреннем, так и внешнем.
ВВЕДЕНИЕ
13
Научно-технический прогресс пищевой и
перерабатывающей промышленности во мно-
гом определяется развитием комплексной ме-
ханизации и автоматизации производственных
процессов. Основой технического обеспечения
прогресса должны стать машинные (промыш-
ленные) технологии. Это должно составить
ядро технической политики в продовольствен-
ных отраслях. В связи с этим изменяется кон-
цепция разработки и реализации системы ма-
шин. Сущность этой концепции состоит в том,
что созданию системы оборудования конкрет-
ного производства должно предшествовать
создание эффективной системы технологиче-
ских процессов. На ее основе должна быть
сформирована система промышленных техно-
логий и машин для пищевой и перерабаты-
вающей промышленности, позволяющая соз-
давать высокопроизводительные, полностью
автоматизированные производства.
В области реформирования производ-
ственного потенциала отрасли машино-
строения для пищевой и перерабатывающей
промышленности. Возрождение машино-
строения для пищевой и перерабатывающей
промышленности АПК России - это стабили-
зация его развития и выход на мировой рынок
перерабатывающего оборудования, создание
современной материально-технической базы
пищевых и перерабатывающих предприятий.
Весь мир отказался от управленческих
структур промышленностью регионального
типа, а перешел на экономически оптимальную
структуру транснациональных концернов в
области машиностроения, металлургии, химии
и других отраслей. Становится очевидным
создание в продовольственном машинострое-
нии интегрированных структур, которые
должны обеспечивать наибольшую рентабель-
ность предприятий, решать все перечисленные
выше вопросы организации совместных работ
и осуществлять единую техническую политику
в области машиностроения для обслуживаемой
отрасли.
Обеспечение и изменение работы пред-
приятий продовольственного машиностроения
России является главной целью реформы. Реа-
лизация этого направления предполагает:
• организационно-институционные
преобразования - выделение вспомогательных
производств в самостоятельные предприятия;
• передачу объектов социально-
культурного и коммунально-бытового назна-
чения в ведение органов местного управления;
• проведение реформы предприятия,
включающей улучшение управления, повыше-
ние эффективности и снижение издержек про-
изводства;
• переход на производство новых кон-
курентоспособных линий, машин и установок;
• продолжение создания совместных
предприятий с зарубежными фирмами:
• обеспечение инвестиционной привле-
кательности предприятия;
• достижение прозрачности финансово-
экономического состояния предприятий для
собственников, инвесторов, кредиторов;
• использование предприятием рыноч-
ных механизмов привлечения финансовых
средств.
При проведении таких преобразований
целесообразно также диверсировать освоенную
продукцию по потребительским, качественным
и техническим параметрам.
Основными направлениями технологиче-
ского развития машиностроительного произ-
водства являются:
с вертывание производства по выпуску
продукции, не пользующейся спросом;
п реодоление технологического отстава-
ния от мирового уровня;
о риентация на привлечение передовых
зарубежных и отечественных технологий, в
том числе, используемых в оборонной про-
мышленности;
и спользование зарубежных лицензий для
создания отечественной импортозамещающей
техники;
создание совместных предприятий по
выпуску конкурентоспособного на внешнем
рынке оборудования.
В области развития инновационной
деятельности. Сегодня позиции отдельных
стран или фирм в области научно-технического
прогресса определяются не столько наличием
мощного научно-технического потенциала и
достигнутыми научными успехами, сколько
интенсивностью применения достижений нау-
ки и техники в хозяйственной практике, т.е.
уровнем инновационной активности.
Серьезной проблемой, сдерживающей
функционирование научно-технического ком-
плекса на сегодня, является отсутствие эффек-
тивной системы передачи результатов научно-
технических достижении в производство. Весь
мировой опыт свидетельствует о том, что сис-
тема связи между наукой и производством
должна быть масштабным и специализирован-
14
ВВЕДЕНИЕ
ным видом работ, со сложившейся организаци-
онно-экономической структурой и объемом
финансирования.
Основные направления повышения инно-
вационной активности отрасли заключаются в
активизации деятельности непосредственных
исполнителей инновационного процесса и в
системе определенных государственных меро-
приятий по активизации самого процесса. К
таким мерам относятся:
- государственная поддержка научно-
- приближение деятельности научно-
исследовательских организаций непосредст-
венно к производству;
- активизация функционирования всех
организационных форм инновационного про-
цесса по более активному оказанию помощи
товаропроизводителю по внедрению достиже-
ний науки и техники; реализация целевых,
комплексных, государственных, отраслевых,
региональных научно-технических программ
(проектов); дальнейшее совершенствование
организационных форм развития инновацион-
ного процесса и распространение таких интег-
рированных формирований, как технопарки,
технополисы, научно-производственные сис-
темы, инновационно-консультационные цен-
тры и др.
- разработка и внедрение системы эконо-
мического стимулирования развития иннова-
ционных процессов в АПК России;
- развитие специализированной инфор-
мационной службы АПК России для организа-
ции многоканальной информации о научных
достижениях, рекомендациях к освоению в про-
изводстве путем привлечения всех средств мас-
совой информации (печать, радио, телевидение,
специальная информационная литература);
- организация массовой переподготовки и
повышения квалификации кадров на всех
уровнях инновационного процесса.
Представление, что с переходом к рыноч-
ной экономике можно отказаться от прогнози-
рования и стратегического планирования, от-
дать приоритет стихийному развитию, которое
может автоматически обеспечить соответствие
структуры производства структуре спроса,
высшую эффективность воспроизводства, яв-
ляется явно ошибочным. Такая иллюзия не
только наивна, но и опасна: она демобилизует
субъектов хозяйственной жизни, мешает выра-
ботке и реализации стратегии выхода из кризи-
са, делает его еще более затяжным и мучитель-
ным. Наоборот, роль стратегии с переходом к
рынку неизмеримо возрастает.
В настоящем разделе сформулированы
основные принципы формирования в совре-
менных рыночных отношениях направлений
развития отечественного машиностроения для
пищевой и перерабатывающей промышленно-
сти АПК России, являющиеся рекомендатель-
ными и требующие дальнейшей научной про-
работки по каждому аспекту.
РАЗДЕЛ 1
ОБЩЕТЕХНИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ СОЗДАНИЯ
ПИЩЕВОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Глава 1
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ И НАЗНАЧЕНИЕ
МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
ДЛЯ ПИЩЕВОЙ И
ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕЙ
ПРОМЫШЛЕННОСТИ
1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ
ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМУ ОБОРУДОВАНИЮ
Под классификацией технологического
оборудования в общем случае понимают науч-
но-обоснованное распределение машин, аппа-
ратов и комплексов по отдельным группам по
наиболее существенным для определенной цели
признакам. Такая классификация согласуется с
классификацией технологических процессов,
для реализации которых предназначено данное
оборудование. Технологические процессы могут
быть сгруппированы, например, по способу
воздействия рабочих органов на обрабатывае-
мый материал или по иному признаку. В учеб-
ной, справочной литературе по технологическо-
му оборудованию отдельных отраслей пищевой
и перерабатывающей промышленности пред-
ставлены классификации оборудования кон-
крегных отраслей. Ниже дана межотраслевая
классификация оборудования для пищевой и
перерабатывающей промышленности по функ-
циональному признаку.
Оборудование для подготовки, хране-
ния и транспортирования сырья, полуфаб-
рикатов и тары предназначено:
для первичной переработки животного
сырья и птиц;
для мойки, очистки растительного сырья;
для подготовки растворов, смесей;
для мойки тары;
для транспортировки сырья и полуфабри-
катов.
Оборудование для осуществления ме-
ханических процессов предназначено:
для измельчения, плющения и резки;
для разделения (фракционирования) сы-
пучих, жидких, пластичных продуктов;
для образования многокомпонентных ма-
териалов;
для формообразования.
Оборудование для осуществления теп-
ло-массообменных процессов выполняет:
тепловую обработку;
сушку;
охлаждение и замораживание;
массообменные процессы.
Оборудование для электрофизической
обработки пищевых материалов производит:
холодильную обработку;
криоэлектросепарацию;
электроконтактную обработку;
инфракрасную обработку;
СВЧ-обработку.
Оборудование для упаковки пищевых
продуктов.
Каждая классификационная группа со-
стоит из подгрупп, различаемых по принципу
действия, конструктивным и функциональным
особенностям. Естественно, приведенная клас-
сификация в определенной степени условна,
что определяется многообразием технологиче-
ских процессов, протекающих в машинах и
аппаратах пищевых производств.
16
Глава!. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ И НАЗНАЧЕНИЕ МАШИН
Основные требования, предъявляемые
к технологическому оборудованию для пи-
щевой и перерабатывающей промышленно-
сти. Технологическое оборудование для пище-
вой и перерабатывающих отраслей, поскольку
оно относится к объектам машиностроения,
должно удовлетворять всем общим требовани-
ям, предъявляемым к ним. Основные требова-
ния, определяемые спецификой пищевого про-
изводства и технологических процессов, про-
текающих в машинах и оборудовании, приве-
дены ниже.
Гарантия высокого качества выпускае-
мого пищевого продукта или полуфабриката
может быть осуществлена лишь в том случае,
если удовлетворяются требования к протека-
нию технологического процесса, реализуемого
в данной машине (аппарате). Это и важно, и в
то же время трудноосуществимо для оборудо-
вания, поскольку свойства перерабатываемого
сырья меняются в зависимости от условий его
производства (региональных, почвенных и
погодных условий и много другого). Машина
должна оказывать на перерабатываемый про-
дукт технологически оптимальное воздействие,
которое может быть обеспечено лишь научно
обоснованным расчетом системы машина -
перерабатываемый продукт, учитывающим
связь структурно-механических свойств про-
дукта с кинематическими и динамическими
параметрами рабочих органов.
Обеспечить гарантию качества изготов-
ляемого продукта могут:
проведение производственного контроля
за качеством и безопасностью пищевых про-
дуктов, материалов и изделий, условиями их
изготовления, хранения, перевозки и реализа-
ции;
внедрение систем управления качеством
пищевых продуктов, материалов и изделий;
введение добровольной системы ме-
неджмента качества и сертификации оборудо-
вания, которые начали формироваться.
Высокая технико-экономическая эффек-
тивность. Интегральный показатель эффек-
тивности - это комплексная характеристика
производственной системы, измеряемая отно-
шением выходного эффекта к суммарным за-
тратам на функционирование системы.
Технологичность машин и аппаратов,
унификация и стандартизация деталей и узлов
машин.
Высокая износостойкость рабочих орга-
нов машин и оборудования. Это требование
должно обеспечиваться с двух сторон:
во-первых, с точки зрения безопасности
выпускаемой продукции, так как попадание
частиц конструкционных материалов машины
в продукт может сделать последний непригод-
ным для употребления в пищу;
во-вторых, с позиции выпуска качествен-
ной продукции, поскольку износ рабочих орга-
нов приводит к изменению их кинематики,
размеров каналов, но которым транспортиру-
ются продукты, и к другим последствиям, что
обусловливает изменение условий протекания
технологических процессов, а следовательно,
ухудшение качества пищевых изделий.
Соответствие технологического обору-
дования требованиям правил техники безопас-
ности, производственной санитарии и эколо-
гии. Высокая герметичность оборудования,
транспортных и аспирационных сетей неко-
торых отраслей производства (мукомольной,
крупяной, спиртовой и др.), опасных с точки
зрения образования пожаро- и взрывоопасных
смесей и паров. При разработке и эксплуатации
оборудования таких производств должны быть
учтены требования, разработанные Госгортех-
надзором РФ.
Шумовые характеристики оборудования,
не превышающие допустимые как по общему
уровню шума, так и по спектральному его со-
ставу. Для снижения уровня шума следует при
конструировании выбирать по возможности
рациональные с точки зрения возникновения
шума механизмы, демпфировать колебания
(вибрации) соударяющихся деталей, уменьшая
их интенсивность, применять шумопоглощаю-
щие и изолирующие материалы. При невоз-
можности снизить уровень шума в источнике
до допустимого предела необходимо использо-
вать устройства, препятствующие его распро-
странению в производственное помещение.
Возможность автоматизации контроля
и регулирования рабочих процессов, осуществ-
ляемых на данном оборудовании. В случае,
когда оборудование входит в состав техноло-
гической линии, необходимо предусмотреть
блокировочные устройства, во-первых, не по-
зволяющие включать линию с общего пульта,
если все машины, входящие в нее, не готовы к
пуску, а во-вторых, останавливающие машину
при остановке одной из последующих единиц
оборудования.
Конструкции машин и аппаратов должны
предусматривать возможность установки дат-
чиков (преобразователей) для измерения пара-
ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
17
метров процесса или перерабатываемого мате-
риала, необходимых для регулирования техно-
логического процесса. Это обязательное усло-
вие для машинных агрегатов, входящих в со-
став мехатронных систем, внедряемых, в част-
ности, в кондитерских производствах.
Статическое и динамическое уравнове-
шивание вращающихся частей машин. В пи-
щевом производстве применяется значительное
количество машин, имеющих быстровращаю-
щиеся роторы и узлы различной конфигурации
и конструкции (жидкостные сепараторы, цен-
трифуги, дробилки, вентиляторы и др.), не-
уравновешенность которых вызывает вибра-
цию перекрытий, чрезмерный износ подшип-
ников, повышенный уровень шума, снижение
технологического эффекта и может создавать
взрыво- и пожароопасную ситуацию.
Техническое совершенство и надежность
машин и аппаратов. Количественной характе-
ристикой технического совершенства объектов
машиностроения является срок, в течение ко-
юрого они по своим основным показателям
будут соответствовать современному уровню
техники.
Надежность является одним из основных
параметров, определяющих качество машины.
Недостаточная надежность оборудования мо-
жет определяться: необоснованностью схем-
ных. конструктивнььх и технологических ре-
шений; низким качеством исходных материа-
лов. комплектующих изделий и сборочных
работ; низким уровнем проведенных испыта-
ний отдельных узлов и изделия в целом; несо-
ответствием условий эксплуатации техниче-
ским требованиям; несовершенством приме-
няемой системы планово-предупредительных
ремонтов.
1.2. ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА
ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
Создание и совершенствование оборудо-
вания для пищевого производства должно про-
водиться на основе изучения закономерностей
формирования и прогнозирования показателей
качества получаемых полуфабрикатов и гото-
вых пищевых продуктов. Эти показатели и их
изменение должны учитываться уже на стадии
конструирования оборудования, а в процессе
производства должна быть предусмотрена сис-
тема контроля и управления качеством.
Качество пищевых продуктов характери-
зуется большим количеством показателей, к
которым относятся эргономические, эстетиче-
ские. экологические, технологические, назна-
чения, надежности, безопасности потребления
и которые, в свою очередь, состоят из единич-
ных. С потребительской точки зрения наиболее
важными показателями являются органолепти-
ческие свойства, пищевая ценность, гигиениче-
ская безупречность, безопасность, быстрота и
удобство подготовки к употреблению.
При оценивании качества пищевой про-
дукции целесообразно использовать комплекс-
ные показатели качества, которые должны от-
вечать следующим требованиям: достаточно
полно отражать общее качество оцениваемой
продукции; иметь точно установленные зави-
симости от единичных показателей. Поскольку
невозможно принять во внимание все многооб-
разие свойств пищевой продукции, важным и
ответственным этапом является определение
их необходимого и достаточного количества.
Существуют две противоположные тенденции -
стремление максимизировать количество этих
свойств для повышения объективности оценки
и минимизировать его для уменьшения трудо-
емкости операций. От правильности выбора
тех или иных свойств зависит достоверность
оценки качества продукции. Наиболее значи-
мые единичные показатели можно определить
методом априорного ранжирования степени их
влияния на комплексный показатель качества
пищевой продукции.
Каждое свойство качества необходимо и
достаточно определяется тремя числовыми
параметрами:
величиной (абсолютный показатель);
оценкой (относительный показатель), ха-
рактеризующей степень удовлетворения по-
требности в данном свойстве;
весомостью, определяющей важность
свойства среди остальных свойств, составляю-
щих качество.
Комплексный показатель качества К в
общем виде описывается выражением
К=/(К„М^. (1.1)
где Mj - коэффициент весомости i -го отно-
сительного показателя качества продукции;
Кг - i -й относительный показатель качества
продукции;
^=/0//’,ба3)- С-2)
Рг и Р^ i -й единичный показатель каче-
18
Глава!. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ И НАЗНАЧЕНИЕ МАШИН
ства продукции и соответствующий ему базо-
вый показатель.
Выбор значений базовых показателей за-
висит от цели оценивания качества продукции.
Для замены системы единичных показа-
телей качества комплексным показателем ис-
пользуют средние взвешенные показатели:
средние арифметические, геометрические или
гармонические по всей совокупности относи-
тельных единичных показателей [5,7].
При расчете среднего арифметического
значения результат в равной мере зависит от
всех усредняемых величин:
п / п
Z=1 / Z=1
где п - количество свойств, характеризующих
качество продукции.
Недостатком этого метода является то,
что при расчете не учитывается разброс коэф-
фициентов весомости, поэтому низкая степень
соответствия продукции одним показателям
может быть перекрыта высокой степенью со-
ответствия другим показателям. Это может
привести к неверным результатам.
Среднее геометрическое значение
-------------------------------------------------------
к = К^2 ...К,М' ...Кп"
более трудоемко при вычислении, но его ха-
рактерной особенностью является то, что вы-
числяемый показатель обращается в нуль, ко-
гда один из его множителей равен нулю; если
значение хотя бы одного из относительных
показателей качества продукции ниже допус-
тимого уровня, то средняя геометрическая
комплексная оценка независимо от других по-
казателей также превращается в нуль. Это со-
ответствует правилам сертификации, по кото-
рым продукт бракуется, если какой-либо пока-
затель не соответствует требованиям норма-
тивной документации. При возможности дос-
тижения нулевого уровня одним из относи-
тельных показателей, для вычисления К может
быть использована функция вида
Свойства, характеризующие качество
пищевой продукции, рекомендуется объеди-
нять в следующие группы:
а - свойства функционального назначе-
ния (пищевая ценность): калорийность, содер-
жание белков, углеводов, жира и неорганиче-
ских веществ;
b - свойства, характеризующие безопас-
ность потребления: микробиологическая обсе-
мененность, отсутствие токсичных, канцеро-
генных, аллергенных веществ;
с - эстетические свойства: интенсивность
окраски и блеска в отраженном свете, правиль-
ность формы, четкость рисунка, состояние
поверхности изделия, внешнее оформление:
d - органолептические свойства: конси-
стенция, вкус, аромат;
е - свойства, характеризующие надеж-
ность: стойкость при хранении, транспорта-
бельность.
Для определения комплексного показате-
ля качества пищевых продуктов используется
следующая зависимость
I Р
К = Ма^та, Ка, +Mb'Z, тЬ, КЬ, +
(=1 /=/+1
Я Г
+ Wc Е тс,Кс, + Md X md,Kd, +
i=p+\ i=q+\
n
+ M e ^et •>
i~r+\
где п - количество свойств, характеризующих
качество пищевых продуктов; Мс,
Md->Me - коэффициенты весомости относи-
тельного показателя качества по каждой группе
свойств, характеризующих качество продуктов,
причем Ма + + Мс + + Ме - 1,
та , тс , пу , те - коэффициенты ве-
сомости каждого i -го относительного показа-
теля качества в каждой группе свойств;
/ Р Я
Y,ma, =*; X ть, =1; X тс, =i;
Z = 1 Z=/+l 1 = р+\
г п
X md, = X еа, =
/=<?+! z=r+l
Kai,KbpKci,Kdj,Kei значения каждого
относительного показателя качества в каждой
группе свойств; определяются по формуле (1.2).
ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
19
В связи с тем, что технологические линии
пищевых производств работают в условиях
действия случайных факторов, значения всех
единичных показателей качества являются
случайными. Поэтому одним из показателей
эффективности функционирования технологи-
ческих линий с точки зрения обеспечения ка-
чества продукции является комплексная оценка
вероятностных характеристик этих величин.
Для технологической линии комплексная
оценка качества полуфабриката или готового
продукта, формируемого самой технологиче-
ской системой, может быть представлена в
виде [5]
+Л/С £ mCi [«(/Сс,)] +
/=р+1
/=#+1
z=r-hl
где ЭЦЛ?,) - численное значение вероятност-
ной характеристики i -го относительного пока-
зателя качества в группах свойств bycyd,e.
При этом формула (1.2) записывается
следующим образом
где - среднее квадратическое отклоне-
ние f-го единичного показателя качества;
- среднее квадратическое отклоне-
ние i -го базового показателя качества.
Основные показатели качества готовой
продукции определяются физико-химическими
и структурно-механическими свойствами ис-
ходного сырья, полуфабрикатов, вспомога-
тельных материалов, а также режимами меха-
нической, термической, микробиологической и
биохимической обработки, правильный выбор
которых позволяет активно формировать тре-
буемое качество продукции. В общем виде
формирование качества пищевых продуктов
можно представить схемой (рис. 1.1).
Свойства группы а в основном опреде-
ляются качеством исходного сырья, а уровень
и стабильность свойств групп b-е в первую
очередь зависят от технологии, качества про-
изводственных процессов и оборудования.
Применяемая технология и техника должны не
только обеспечивать экономическую эффек-
тивность, но и гарантировать качество продук-
ции, которое является одним из важнейших
объективных критериев эффективности функ-
ционирования технологических систем.
Важное значение имеет оценка качества
продукции с учетом динамики производства,
выявление зависимости качества полуфабрика-
тов и готовой продукции от технологического
процесса, механических параметров обработки,
режима и особенностей эксплуатации техноло-
гической системы. Это позволяет определить
оптимальные условия проведения процесса,
выбрать технологические параметры процесса
и конструктивные факторы оборудования.
Рис. 1.1. Схема формирования качества продукции
20
Глава I. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ И НАЗНАЧЕНИЕ МАШИН
Показатели качества технологических
процессов. Процесс создания любого продукта
может быть разделен на три основных пере-
крывающих друг друга этапа:
1) проектирование продукта;
2) разработка технологического процесса;
3) изготовление продукта.
Эти этапы и особенно точки перехода
влияют на качество готовой продукции. По-
этому управление качеством необходимо на-
чинать с первого этапа и продолжать на всех
последующих. В процессе разработки и проек-
тирования продукта учитываются его пищевая
и энергетическая ценность, сбалансирован-
ность аминокислотного состава, орга-
нолептические характеристики, технологич-
ность изготовления.
На втором этапе устанавливаются техни-
ческие и технологические требования к пара-
метрам процесса, их оптимальные значения и
допустимые отклонения. Тагути (Япония)
предложил трехступенчатый подход к реше-
нию задач этого этапа: проектирование систе-
мы; проектирование параметров; расчет допус-
тимых отклонений. Безусловно, первые два
этапа играют решающую роль, но процесс из-
готовления. качество процесса изготовления
может даже при совершенной технологии при-
вести к выпуску продукции низкого качества.
Качество технологического процесса является
важнейшим критерием, определяющим качест-
во продукции.
Несовершенство процесса изготовления
вызывает отклонение качественных характери-
стик продукта от номинальных значений. В
частности на качество изготовления влияют
изменчивость сырья, вариации действий чело-
века. погрешности при проведении технологи-
ческих операций, низкая надежность оборудо-
вания, изнашивание его рабочих органов. Ме-
ры по предупреждению отклонения качествен-
ных характеристик продукта в результате из-
менчивости внешней среды и износа оборудо-
вания, а также но повышению точности его
работы могут быть приняты уже на стадии
проектирования и разработки процессов и обо-
рудования. Таким образом, качество продук-
ции планируется и предопределяется уже при
разработке технологических процессов и раз-
работке оборудования для их реализации.
Планирование качества состоит в уста-
новлении целей и требований к качеству про-
дукции и разработке средств достижения этих
целей. 11ланирование качества охватывает пла-
нирование производства, управленческих ме-
роприятий и улучшения качества.
Одним из важных шагов в планировании
качества является разработка или планирова-
ние технологических процессов. Под планиро-
ванием технологического процесса понимают
деятельность, в результате которой определя-
ются оперативные силы и средства, способные
произвести продукцию, отвечающую установ-
ленным требованиям. Результатами планиро-
вания процесса являются: проект процесса,
включающий перечень оборудования; при-
кладное программное обеспечение; информа-
ционное обеспечение, используемое для кон-
троля работы оборудования и его обслужива-
ния.
Количественная оценка возможностей
процесса является одним из наиболее полезных
инструментов ею планирования. Это позволя-
ет:
- предупредить возникновение возмож-
ных проблем на стадии рассмотрения проекта;
- установить средние значения норми-
руемых величин, соответствующих возможно-
стям процесса;
- проводить сравнение с возможностями
альтернативных процессов.
При планировании процессов необходи-
мо предусмотреть контроль и управление, по-
зволяющие поддерживать процесс в регламен-
тированном состоянии, а при передаче процес-
са в производство подтвердить его эффектив-
ность и возможность осуществления контроля
в реальных условиях. Для этого должны быть
четко установлены требования, касающиеся
технологических процессов и испытаний гото-
вой продукции. Эти требования должны быть
отражены в плане контроля и испытаний, кото-
рый, как минимум, должен содержать базовую
информацию: точки контроля и испытаний,
требования но контролю, используемое кон-
трольно-измерительное оборудование, крите-
рии приемки или браковки продукции.
Наилучших результатов можно достиг путь
только обладая исчерпывающими сведениями о
состоянии и возможностях производственных
процессов и наличии эффективно действующей
системы управления ими. Система управления
качеством должна быть разработана для кон-
кретного производства с учетом его специфики
и специфики выпускаемой продукции, приме-
няемой технологии, процессов.
Показатели, характеризующие техноло-
гические процессы, могут быть разделены на
ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
21
режимные, определяющие режим процесса, и
качественные, отражающие качественное со-
стояние продукции. При управлении процес-
сами для поддержания показателей качества
полуфабриката и готовой продукции на задан-
ном уровне, как правило, прибегают к регули-
рованию режимных параметров: температуры,
влажности, продолжительности механической
обработки, давления, скорости движения рабо-
чих органов оборудования. Для выбора наибо-
лее эффективных управляющих воздействий
необходима количественная оценка степени
влияния режимных параметров на показатели
качества.
Конкретные параметры многих техноло-
гических операций могут быть оптимизирова-
ны на основании уже имеющихся и апробиро-
ванных математических моделей, регрессион-
ных уравнений и других зависимостей, полу-
ченных экспериментально-аналитическим пу-
тем. При этом одновременно должны учиты-
ваться факторы, влияющие на формирование
органолептических показателей, на структур-
но-механические. физико-химические и другие
характеристики полуфабрикатов и готовой
продукции.
Качество технологического процесса оп-
ределяется, с одной стороны, прогрессивно-
стью выбранных методов изготовления про-
дукции, которая закладывается при формиро-
вании конструктивно-технологических реше-
ний, а с другой - характеризуется такими пока-
зателями, как точность, устойчивость и ста-
бильность.
Основными источниками нестабильности
процессов при переработке сырья и полуфаб-
рикатов в готовую продукцию являются коле-
бания физико-механических свойств материа-
лов. износ технологического оборудования,
ошибочные действия обслуживающего персо-
нала в процессе производства, изменяющиеся
силовые, тепловые и динамические воздейст-
вия на обрабатываемый материал. Все произ-
водственные причины нестабильности процес-
са могут быть разделены на две группы: слу-
чайные, значение которых заранее не может
быть определено: систематические, подчи-
няющиеся некоторым закономерностям, кото-
рые могут быть описаны соответствующими
функциональными зависимостями. Совместное
воздействие случайных и систематических
причин приводит к тому, что изменение значе-
ний характеристик качества изделий носит
случайный функциональный характер.
Устранимое рассеяние значений показа-
телей качества - это систематическая погреш-
ность производства, возникающая из-за ис-
пользования нестандартных сырья и материа-
лов, нарушения технологического режима при
выполнении операций или осуществления их
по недостаточно проработанной документации,
или из-за возникшей неисправности оборудо-
вания.
Неизбежное рассеяние шачений показа-
телей качества - это случайные погрешности
производства, возникающие из-за колебаний (в
пределах допустимых значений) качества и
количества сырья и материалов или изменений
в условиях производства. Попытки управления
процессом для снижения этого рассеяния пока-
зателей качества, как правило, не достигали
цели. Однако стремиться к ее уменьшению
надо. Эта проблема решается исследователями
при повышении уровня целостности системы.
Можно предложить следующую класси-
фикацию показателей качества технологи-
ческих процессов, связанных с качеством про-
изводимой продукции (рис. 1.2).
Под технологичностью процесса будем
понимать возможность точного воспроизведе-
ния технологии в данной технологической сис-
теме.
Основной технической характеристикой
процессов, тесно связанной с качеством про-
дукции. является стабильность. Процесс счи-
тается стабильным, если постоянны во вре-
мени оцениваемые статистические характери-
стики исследуемого признака качества. Для
получения высококачественной продукции
должны быть использованы технологические
процессы, которые позволяют сохранить в те-
чение некоторого времени весь комплекс усло-
вий и показателей производства в пределах
установленных норм. При стабильном техно-
логическом процессе закон распределения его
показателей является постоянным в течение
определенного времени.
Под точностью технологического про-
цесса понимают сопоставление поля рассеяния
выбранной характеристики с заданным по тех-
нологической карте допуском этой величины.
Полем рассеяния, соответствующим некото-
рой вероятности, называется зона, лежащая
между границами значений признака качества,
вероятность выхода за которые пренебрежимо
мала. Если поле рассеяния не больше поля
допуска, то точность показателя технологиче-
ского процесса признается удовлетворительной.
22
Глава!. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ И НАЗНАЧЕНИЕ МАШИН
Рис. 1.2. Показатели качества технологических процессов
Обычно при анализе точности технологическо-
го процесса учитываются взаимное положение
центров полей рассеяния и допуска, а также
погрешности измерений, изменяющие границы
поля рассеяния исследуемого признака. Таким
образом, анализ точности технологического
процесса сводится к следующему:
I) к оценке закона распределения иссле-
дуемого показателя;
2) к определению поля рассеяния, отве-
чающего заданной вероятности попадания при-
знака в пределы этого поля; к определению
вероятности попадания исследуемого признака
в поле допуска путем вычисления приращения
функции распределения в пределах границ
заданного допуска;
3) к сопоставлению поля рассеяния с по-
лем допуска.
Точность технологического процесса под
действием случайной составляющей производ-
ственных погрешностей оценивается коэффи-
циентом точности:
Г = 28/(Л^),
где s - среднее квадратичное отклонение пара-
метра процесса в выборке; К - коэффициент,
зависящий от закона распределения погрешно-
стей процесса.
Для закона нормального распределения
погрешностей К = 6 , для закона распределе-
ния Максвелла К = 5,25, для закона равной
вероятности К =3,46 [9]. При Т > 1 процесс
протекает с высокой точностью; при Т = 1
поле допуска совпадает с границами кривой
плотности вероятности распределения показа-
теля качества процесса и процесс может в лю-
бой момент выйти за пределы, предусмотрен-
ные требованиями технологического регламен-
та; при Т < 1 точность процесса неудовлетво-
рительная.
Для оценки точности технологического
процесса с учетом воздействия систематиче-
ских производственных погрешностей исполь-
зуется коэффициент смещения:
Е = е/(28),
где 8 - величина смещения, зависящая от по-
ложения центра группирования погрешностей
(среднее значение) х ; 8 = |x-Xq|; Xq - но-
минальное значение параметра процесса, рас-
положенное, как правило, в середине поля до-
пуска; 8-- абсолютное значение 1/2 поля до-
пуска на параметр процесса.
Другим показателем, характеризующим
качество технологического процесса, является
устойчивость, определяющая способность тех-
нологического процесса сохранять постоянство
параметров закона распределения исследуемо-
го признака качества в течение определенного
ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
23
времени протекания процесса. Технологиче-
ский процесс обладает устойчивостью, если
соответствующий параметр закона распределе-
ния исследуемого показателя является посто-
янным в течение определенного времени реа-
лизации производственного процесса.
Устойчивость функционирования поточ-
ной линии проявляется в ее способности со-
хранять требуемые свойства в условиях дейст-
вия возмущений.
Критерий стабильности процесса исполь-
зуют для изучения причин вариаций качест-
венных и количественных показателей полу-
фабрикатов и готовых изделий. Выявление и
устранение причин нестабильности процесса
позволяет получить статистически управляе-
мый процесс, который при установлении гра-
ниц его точности по отдельным признакам
качества изделий можно ввести в эти границы.
Для оценки стабильности технологиче-
ских процессов в пищевой промышленности
широко используется энтропийная функция
[5].
Перечисленные выше показатели точно-
сти и устойчивости функционирования техно-
логического потока могут быть использованы
для количественной оценки качества техноло-
гических процессов только при условии нор-
мальной эксплуатации технологической систе-
мы (при отсутствии внезапных отказов обору-
дования и средств контроля и измерения пара-
метров процессов; при отсутствии ошибок
обслуживающего персонала). При этом не учи-
тывается надежность элементов, входящих в
систему, и связи между ними. Кроме того, эти
показатели не позволяют сравнивать надеж-
ность различных технологических систем в
плане обеспечения нормального их функцио-
нирования, обеспечивающего и гарантирующе-
го выпуск качественной продукции.
Нельзя проводить оценивание качества
процессов без учета свойств технологической
системы, используемой при их реализации, в
том числе свойств, характеризующих надеж-
ность системы. Даже при использовании одно-
го и того же сырья и методов обработки, про-
цессы в различных технологических линиях
будут протекать с различными показателями
точности и устойчивости, а продукция, полу-
ченная на этих линиях, будет иметь разные
качественные характеристики. Качество реали-
зации технологическИ/Х процессов и его от-
дельных операций напрямую зависит от каче-
ства технологических систем. Технологическая
система должна обеспечивать производство
пищевых продуктов в заданных режимах с
заданными показателями. Способность систе-
мы гарантировать заданный результат характе-
ризует ее надежность и служит важнейшей
характеристикой ее качества. При этом под
технологической системой понимают техноло-
гическое оборудование, систему контроля
управления и обслуживающий персонал.
Для учета влияния нерегламентирован-
ных факторов на качество проведения техноло-
гических процессов необходимо оценить веро-
ятность их проведения в контролируемых ус-
ловиях, соответствующих технологическому
регламенту, гарантирующих выпуск высокока-
чественной продукции.
Таким количественным показателем
безопасности технологических систем может
служить показатель риска, который определя-
ется как частота или функция частоты гипоте-
тических отклонений показателей качества
продукции, вызванных нарушениями в процес-
се функционирования систем.
Риск определяется как совокупный фак-
тор вероятности возникновения опасного со-
бытия и его последствий. Под опасным собы-
тием подразумеваем превышение влияния слу-
чайных факторов над адаптационными способ-
ностями системы или запаздыванием реакции
на них. Таким образом, может быть введен и
сформулирован показатель безопасности тех-
нологических систем в отношении качества
продукции.
Безопасность - свойство технологиче-
ских систем сохранять при функционировании
в определенных условиях такое состояние, при
котором с заданной вероятностью исключается
риск ухудшения качества продукции, обуслов-
ленный воздействием неблагоприятных факто-
ров на незащищенные компоненты систем.
Состояние реальных систем определяется
совокупностью их свойств в конкретном про-
явлении в данный момент времени. Следова-
тельно, и опасность, и безопасность систем
определяются множеством функциональных
свойств и характером взаимосвязей между ни-
ми в данный момент их проявления.
Задача обеспечения безопасности функ-
ционирования систем сводится к уменьшению
риска до некоторого предела, т.е. к сведению
до минимума возможности возникновения
ситуаций, отрицательно влияющих на качество
продукции. Для количественной оценки риска
отклонения технологических параметров про-
24
Глава 1. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ И НАЗНАЧЕНИЕ МАШИН
цесса (ухудшения качества реализации процес-
са) могут быть использованы следующие пока-
затели:
- вероятность проведения технологиче-
ских процессов без возникновения опасных
ситуаций в условиях, установленных требова-
ниями нормативной документации;
- вероятность возникновения опасных
ситуаций (риск снижения качества продукции);
- математическое ожидание продолжи-
тельности потерь времени в результате откло-
нения процессов;
- математическое ожидание риска соци-
ально-экономического ущерба.
Эти показатели безопасности являются
вероятностными и вычисляются с использова-
нием теории вероятностей и математической
статистики.
Влияние технологического оборудова-
ния на качество пищевых продуктов. Техно-
логические машины различных конструкций,
используемые в пищевой промышленности и
предназначенные для решения одной и той же
функциональной задачи, часто отличаются
принципом работы, характером и степенью
воздействия рабочих органов на перерабаты-
ваемое сырье и полуфабрикаты. Конечный
результат функционирования машины - фор-
мирование качества получаемого продукта при
условии обеспечения заданной производитель-
ности. Наибольшее влияние на качество оказы-
вают конструктивные, кинематические пара-
метры оборудования, надежность его работы,
технология изготовления рабочих органов.
Качество продукта, получаемого после перера-
ботки на соответствующем оборудовании, ха-
рактеризуется совершенством его рабочих ор-
ганов и является одним из важнейших крите-
риев сравнения машин.
При сравнительной оценке качества про-
дукта должны учитываться не только такие
простейшие его составляющие как цвет, вкус,
запах и другие органолептические свойства, но
и свойства, свидетельствующие о сохранении в
продукте биологической ценности, о структуре
продукта, от которой зависит степень его ус-
воения организмом. Для этого необходимо
определить, какие структурные изменения до-
пустимы при переработке сырья и полуфабри-
катов, какие машины и режимы их работы по-
зволяют получить оптимальную структуру
продукта. Приоритетным является оборудова-
ние с системой объективного контроля свойств
перерабатываемого в данный момент сырья и
полуфабрикатов, позволяющей на основе по-
лученных данных изменять режимы обработки,
обеспечивая наилучшее качество полуфабри-
ката и готового продукта.
Для описания качества получаемого про-
дукта широко используются его реологические
свойства, которые зависят от характера меха-
нической обработки на данной машине. К ос-
новным процессам, при которых качество по-
луфабрикатов и готовой продукции характери-
зуется реологическими свойствами, предопре-
деляющими также качество проведения про-
цессов, можно отнести следующие [3]:
нагнетание пищевых масс различными
рабочими органами - шнеками, валками,
плунжерами, шестернями и т.п.;
выпрессовывание масс через формующие
отверстия матриц для придания изделиям не-
обходимой формы;
штампование упругопластичновязких
масс для придания изделиям требуемой формы
или нанесения рельефного рисунка;
транспортирование вязких или вязкопла-
стичных масс по каналам различного профиля,
длины и диаметра;
смешивание двух или нескольких компо-
нентов для получения однородных смесей;
резание полуфабрикатов и готовых про-
дуктов:
дробление, сепарирование, брикетирова-
ние, таблетирование и некоторые другие про-
цессы.
Структурное состояние пищевых продук-
тов зависит от степени их механической обра-
ботки. Например, материал, подвергшийся
перемешиванию различной интенсивности,
характеризуется различными реологическими
свойствами.
Механическая обработка относится к
числу наиболее традиционных для перераба-
тывающих отраслей. Сырье и полуфабрикаты
подвергаются интенсивному воздействию ра-
бочих органов машин: шнеков, лопаток, ореб-
ренных роторов, валков и др., в результате
которого в обрабатываемом материале возни-
кают деформации растяжения, сдвига, сжатия,
кручения. Преобладающие виды деформации
зависят от конфигурации рабочих органов и
траектории их движения. Поэтому в разных
машинах одни и те же полуфабрикаты имеют
различные структурно-механические свойства,
обусловленные процессами структурообразо-
вания. Кроме того, механическое воздействие
может приводить к потере биологической цен-
ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
25
ности пищевых продуктов, к ухудшению
внешнего вида в результате произошедших
необратимых изменений. Несмотря на то, что в
отдельных случаях механические воздействия
заменены другими более эффективными вида-
ми воздействий, например электрофизически-
ми. они продолжают оставаться наиболее зна-
чимыми.
При проведении технологических про-
цессов необходимо реализовывать интенсив-
ные, но одновременно щадящие для структуры
материала механические и технологические
режимы, позволяющие при высокой скорости
обработки сырья или полуфабрикатов обеспе-
чить их оптимальное качество. В большинстве
случаев наиболее тонкие различия качества
обнаруживаются только субъективными мето-
дами. Даже в том случае, если данные объек-
тивной оценки гарантируют качество продук-
ции (по составу, физико-химическим свойст-
вам. гигиеническим показателям), они обяза-
тельно должны быть дополнены результатами
органолептической оценки.
Стабилизация реологических свойств пе-
ремешиваемых масс может свидетельствовать
об окончании процесса перемешивания и их
готовности. Установлено, что для получения
хлебопекарного и макаронного теста с опти-
мальными свойствами при любой интенсивно-
сти замеса необходимо подвести одинаковое
количества энергии [4]. Удельная работа, за-
траченная в процессе обработки полуфабрика-
тов при замесе тестовых масс, при смешивании
рецептурных компонентов может служить объ-
ективным критерием для определения момента
их готовности.
Исследования взаимосвязи реологических
свойств белково-сахарных взбитых смесей и
потребляемой мощности для различных рецеп-
тур и технологий приготовления, при измене-
нии массы загружаемого продукта, частоты
вращения взбивателей, температуры смеси
подтвердили, что эта характеристика является
наиболее устойчивой к изменениям внешних
условий и может быть использована для полу-
чения продуктов с заданными реологическими
характеристиками. Математическая модель,
отражающая зависимость между удельной ра-
ботой, предельным напряжением сдвига, плот-
ностью и температурой сбиваемой смеси пред-
ставлена в следующем виде [6]:
где А - полезная суммарная работа на i -й мо-
мент времени; т - масса загруженного продук-
та; р- плотность сбиваемой смеси; 0q- пре-
дельное напряжение сдвига; 0q - начальное
значение предельною напряжения сдвига; / -
температура смеси; коэффи-
циенты модели.
Для белково-сахарной смеси с соотноше-
нием компонентов 1:2,2 математическая
модель имеет вид:
У я, ( р у0-1746'
-=—^- = 0,109 + 0,034 М-
т 1887/
Z Q ч-0,1194/
-0,00476 —М
I 52,3 I
продукта достаточно хорошо
его вязкостью. Для неньюто-
которым относится большин-
Конструкция и кинематические парамет-
ры перемешивающих устройств должны обес-
печить оптимальное воздействие на структуру
продукта, поэтому необходимо иметь функ-
циональные зависимости, связывающие эти
параметры.
Структура
характеризуется
новских сред, к
ство пищевых масс, она зависит от скорости
сдвига у . Зная функциональную зависимость
эффективной вязкости Лэф = / (у) и опти"
мальное значение вязкости, можно регулиро-
вать процесс перемешивания, выбирая наибо-
лее рациональные режимы. Анализ и обобще-
ние различных исследований, проведенных
Л.К. Николаевым, позволяют рекомендовать
для определения среднего градиента скорости
сдвига у при перемешивании сред с псевдо-
пластичными свойствами следующие зависи-
мости:
для турбинных, лопастных и пропеллер-
ных мешалок
у = (10-13)л;
для якорных и шнековых мешалок
Z4
т
\ ^2^
00
00 J
для скребковььх мешалок
+
26
Глава 1 ОСНОВНЫЕ ТИПЫ И НАЗНАЧЕНИЕ МАШИН
у = 1 IOZ°’5w;
для мешалок разных конструкций
( S2
У = 12,6-f—
S2-l
И,
где и - частота вращения мешалки; S - отно-
шение внутреннего диаметра сосуда к диамет-
ру мешалки; Z- число скребков в мешалке.
Критериальное уравнение для определе-
ния мощности, требуемой при перемешивании
псевдопластичных жидкостей в изотермиче-
ских условиях с учетом степени влияния гео-
метрических и конструктивных параметров для
ламинарного режима, имеет вид
N
pn3D*L
1760А'
\-т
(Dldf”1
b_
J
л0,25/ \0J4
'I эфе
Лэфж
где N - расходуемая энергия; D - внутренний
диаметр цилиндра; d - диаметр скребков вала;
L - длина очищаемой поверхности; К - коэф-
фициент консистенции; п - частота вращения
вала с очищающими скребками; т - показа-
тель неньютоновского поведения; b - ширина
скребка; d3 - эквивалентный диаметр; Лэфс >
Пэфж “ эффективная вязкость соответственно
при температуре стенки и обрабатываемого
сырья; Z- число скребков на валу.
Для определения эффективной вязкости
продукта с псевдопластичными свойствами в
поточных аппаратах получена зависимость:
г о/ -П 1-W
100и (Dld)2'm
т (D/df/m-I
Л эф К *
Важным показателем качества сливочно-
го масла является его консистенция, которая
помимо состава зависит от его обработки.
Имеются данные по кинетике изменения эф-
фективной вязкости сливочного масла в про-
цессе его механической обработки в различных
зонах шнекового промышленного текстуратора
маслоизготовителя непрерывного действия.
В.И. Елагиным получены математические за-
висимости, которые могут быть использованы
в практике расчетов и конструирования обору-
дования, Па • с:
Для любительского масла
Г|эф = 6,91 ю4 У U4e -O.24l,Yo y (13)
для крестьянского масла
= 2,3-104у-|'4е-0’2|2/1'° 58. (1.4)
Уравнения (1.3) и (1.4) справедливы для
диапазона скоростей сдвига у = 2,67...72,9 с* 1,
что соответствует реальным условиям.
В процессе производства макаронных из-
делий происходит существенное изменение
реологических свойств теста вследствие меха-
нического воздействия месильных лопастей,
витков шнека, градиента давления и темпера-
туры. Причем в прессах различных конструк-
ций эти изменения различные. Чрезмерная
механическая обработка отрицательно влияет
на связующие свойства клейковины и на пла-
стичность теста. Отмечено снижение количест-
ва отмываемой клейковины после механиче-
ской обработки теста в шнековых камерах
прессов. Так, после обработки теста на прессах
типов АМЛ (Россия). «Мабра» и «Брайбанти»
(Италия) количество сырой клейковины
уменьшается соответственно на 41,5, 31,2 и
12%. Процесс прессования макаронного теста
при высоком давлении в совокупности с конст-
руктивными особенностями шнека на прессе
типа «Мабра» обеспечивает снижение степени
денатурации клейковины в 2 раза (по сравне-
нию с прессом типа ЛМБ), что положительно
сказывается на качестве готовой продукции [4].
Конструктивные особенности макарон-
ных прессов, в частности наличие вакуумной
обработки теста и стадия, на которой она осу-
ществляется, оказывают значительное влияние
на внешний вид, прочность и кулинарные
свойства изделий. Вакуумная обработка в
прессах различных конструкций осуществляет-
ся на стадии либо замеса, либо прессования.
Остаточное количество воздуха в изделиях
дезаэрированных в шнековом канале в 2 раза
выше, чем в изделиях, прошедших вакуумную
обработку на стадии замеса. Невакуумирован-
ные макаронные изделия во время сушки при-
обретают матовый огтенок, так как воздух,
ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
27
сохранившийся в массе теста после прессова-
ния, разрыхляет структуру изделия при сушке,
вследствие чего прочность и кулинарные свой-
ства изделий ухудшаются.
Исследования процесса термопластиче-
ской экструзии при изготовлении крекеров из
хлебной крошки с различными добавками по-
зволили получить расчетные зависимости для
прогнозирования качественных показателей
готового продукта в зависимости от техноло-
гических параметров процесса и конструктив-
ных параметров экструдера. С точки зрения
технологии наиболее важными качественными
характеристиками крекеров являются коэффи-
циент вспучивания и удельная прочность как
наиболее высоко коррелирующие с органолеп-
тическими и потребительскими свойствами
готового продукта [1|. Для конкретных задач
прогнозирования уравнения регрессий имеют
вид:
степень вспучивания
Y = 0,54 + 0,017^1 - 0001*2 + 0004х3 + 0,416х4 - 0,002х5 +
+0,005х6 -0,0354х7 +0,0002х8;
удельная прочность, г/мм,
Y - 8,022 - 0,11X] - 0,0021х2 - 0,0034х3 + 3,19х4 + 0,008х5 +
+0,321х6 - 2,18ЗХ9 “ °,00016 *8>
где X] - влажность, %; Х2 - частота вращения
шнека, мин1; х3 - длина шнека, мм; х4 - шири-
на щели фильеры, мм; Х5 - добавка перловки, %;
х6 - производительность, кг/ч; Х7 - удельная
прочность, г/мм; х8 - мощность, КДж/кг; Х9 -
степень вспучивания.
На структурно-механические характери-
стики полуфабрикатов большое влияние ока-
зывает избыточное давление в процессе обра-
ботки. Происходит возрастание реологических
характеристик перерабатываемых масс, обу-
словленное их уплотнением, что неизбежно
отражается на качестве продукции. Так, для
бараночных изделий установлено, что повы-
шение давления отрицательно влияет на каче-
ство готовых изделий. Сравнительные иссле-
дования сушек, полученных на универсальной
делительно-закаточной машине системы
ВНИИХПа и изготовленных вручную, показа-
ли, что коэффициент набухаемости составляет
соответственно 2,5 и 3,8. В производстве кре-
мовых сортов конфет органолептическая оцен-
ка масс «Трюфели» и «Трюфели экстра», под-
вергшихся действию избыточного давления
выше 50 кПа, подтвердила, что продукты те-
ряют присущие им вкусовые качества [3]. Ус-
тановлена тесная корреляционная связь между
органолептическими показателями мясных
рубленных полуфабрикатов, потерями массы
полуфабриката при тепловой обработке и дав-
лением формования [2], что позволяет исполь-
зовать последнее для определения оптималь-
ных режимов процесса. Полученные зависимо-
сти имеют вид:
/ \2
тж =36,96-2,3—+0,2 — | ;
Р\ \.Р\)
( А2
О = 2,96 + 0,507—-0,0461 — ] ,
Р\ I Р\ J
где р - рабочее давление на продукт; р\ - еди-
ничное фиксированное давление 10s Па; -
потери массы полуфабриката при жарке, %;
Q — органолептические свойства, бал.
Для интенсификации тепло- и массооб-
менных процессов, а также процессов смеше-
ния, формования, особенно в тех случаях, ко-
гда избыточное давление отрицательно сказы-
вается на качестве, широко используется виб-
рация. Вибрационные воздействия способст-
вуют разрушению пространственных структур,
значительному снижению предела упругости,
вязкости и фрикционных характеристик обра-
батываемого материала. Расходно-напорные
характеристики пресса, оснащенного вибро-
формующим устройством, смещены в область
меньших давлений формования, что благопри-
ятно сказывается на качестве, например, от-
формованных конфетных масс, и позволяет
повысить скорость формования.
Влияние конструктивных факторов тя-
нульных машин на качество карамельной мае-
28
Глава I . ОСНОВНЫЕ ТИПЫ И НАЗНАЧЕНИЕ МАШИН
сы, оценивается комплексным показателем [5]
К = /(ц/,8,у),
где ц/ - пористость тянутой карамельной мас-
сы, %; 8 - удельная поверхность фазового
контакта, характеризующая дисперсность воз-
душных пузырьков в объеме карамельной мас-
сы, м2/м3; v - коэффициент однородности.
Эта зависимость аппроксимирована сле-
дующим линейным уравнением:
К = 0,546 + 0,121со + 0,189 А + 0,0425,
где (0 - угловая скорость валов, рад/с; L
длина рычагов, мм; S - расстояние между ося-
ми валов, мм.
Одним из показателей качества отформо-
ванных изделий является стабильность их раз-
меров и формы. Например, для эффективного
осуществления операций завертки и упаковки
кондитерских изделий необходимо получение
конфеты заданной формы. Форма изделий,
образующихся в процессе отсадки, определяет-
ся реологическими свойствами формуемой
массы, профилем отверстий матрицы, циклом
совместной работы нагнетательных органов и
перемещающейся относительно фильер прием-
ной поверхности. Нестабильность и несоответ-
ствие свойств массы и кинематических харак-
теристик оборудования приводит к появлению
брака. Г.К. Берманом получена расчетная зави-
симость, позволяющая управлять законом
движения подъемно-опускного столика фор-
мующей машины для получения корпуса кон-
феты с заданными размерами
~ ^ср
Л7?'п+| Г 1+2/и Y”
р(от+ !)(/?, )l+2m \ 2т )
где 3 - скорость движения подъемно-опуск-
ного стола; $ср - средняя скорость выпрессо-
вывания продукта из фильеры матрицы; К, т -
реологические константы; /?„ ht - текущие
значения соответственно радиуса и высоты
конфеты; р - плотность продукта.
Большое влияние на качество пищевых
продуктов оказывает надежность оборудова-
ния, которая в значительной степени зависит от
конструктивных решений и технологических
условий изготовления. Внезапный отказ обо-
рудования приводит к прерыванию технологи-
ческих процессов и может вызвать ухудшение
качества продукта и производственные потери.
Износ рабочих органов в процессе эксплуата-
ции также неизбежно отражается на качестве
получаемого продукта. Например, износ шнека
и шнековой камеры макаронного пресса ведет
к увеличению зазора между винтовой лопастью
и внутренними стенками камеры. Это вызывает
обратный по юк iecia. .е дополнительное
сопротивление и перегрев. приводящие к меха-
нической и тепловой денатурации белков. Из-
нос формующих отверстий матрицы ухудшает
внешний вид изделий. Износ калибрующих
роликов жгутовытяг ивающей машины в произ-
водстве карамели приводит к изменению диа-
метра жгута и увеличению производственных
отходов. Кроме того, конструкционный мате-
риал рабочих органов попадает в пищевой
продукт.
Важную роль в обеспечении надежности
оборудования и в формировании качества пи-
щевых продуктов играют используемые для
изготовления рабочих органов конструкцион-
ные материалы, специальные покрытия, шеро-
ховатость рабочих поверхностей. Покрытия
для пищевого оборудования должны обладать
высокими эксплуатационными характеристи-
ками, сочетать нетоксичность с антиадгезион-
ными свойствами, биологической инертностью
по отношению к пищевым продуктам и фуги-
цидной активностью к микроорганизмам, об-
ладать оптимальным уровнем надмолекуляр-
ной организации, определяющим степень де-
фектности и неоднородности структуры кон-
тактных слоев покрытий. К специальным по-
крытиям для пищевою оборудования относят-
ся фугицидные (для защиты оборудования от
развития мицелиальных грибов), антиадгези-
онные (антипригарные, антиоблединительные),
термостойкие, теплонроводящие, электропро-
водящие, светоотражающие, износостойкие,
эрозионностойкие, кавитационностойкие, мо-
розостойкие. В главе 4 даны рекомендации по
применению новых материалов, с целью по-
вышения надежности и долговечности обору-
дования.
Единичные показатели качества пищевых
продуктов должны быть использованы при
оценивании технического уровня оборудова-
ния. Для этого необходимо установление ана-
литических, эмпирических зависимостей и
создание математических моделей взаимосвязи
качества получаемого продукта с конструктив-
ными, кинематическими и технологическими
СИСТЕМА МАШИН
29
параметрами машин. Такой подход позволит
выбрать наиболее рациональные конструкции
оборудования, сократить многообразие исполь-
зуемых машин, упростить их эксплуатацию.
1.3. СИСТЕМА МАШИН
Система машин - технико-экономичес-
ки обоснованная совокупность средств произ-
водства, обеспечивающая выполнение опреде-
ленных технологических процессов, сформи-
рованных в соответствии с перспективными
требованиями потребителей, которая, как пра-
вило, должна включать: перечень машин и
технологических операций, которые они вы-
полняют; данные о нахождении машин в про-
изводстве, необходимость их модернизации,
замены или разработки; основные технико-
эксплуатационные характеристики машин на
каждой технологической операции; экономиче-
скую эффективность работы машин; сведения о
разработчике и изготовителе каждой машины.
Наличие разработанных систем машин и
организация работ по их ведению позволяют
обеспечить полный учет потребности в но-
менклатуре оборудования для обслуживаемой
отрасли, определить перечень машин, подле-
жащих созданию, установить оптимальные
сроки его модернизации, снятия устаревшей
техники, повышения технического уровня се-
рийно выпускаемого оборудования, сокраще-
ния номенклатуры машин за счет расширения
области применения базовых машин и макси-
мальной их унификации.
Построение любой системы машин или
подсистемы имеет своей конечной целью вы-
полнение определенной работы по созданию
необходимого количества конкретного вида
продукции, которая должна соответствовать
заданным производственным параметрам.
Необходимость их достижения оказывает
решающее влияние на конструкцию изделия и
технологию его изготовления.
Важным организационным фактором,
влияющим на построение системы машин,
является соблюдение норм и пропорций между
количеством и производительностью машин и
достижение равенства пропускных способно-
стей отдельных технических средств.
В продовольственном машиностроении
система машин формировалась исходя из ко-
нечных продуктов питания, которые надлежит
произвести с ее помощью.
Система машин АПК России охватывает
отрасли пищевой и перерабатывающей про-
мышленности: сахарной, хлебопекарной, мака-
ронной, дрожжевой, кондитерской, элеватор-
ной и зерноскладов, мукомольно-крупяной,
комбикормовой, молочной, мясной, птицепе-
рерабатывающей. плодоовощной, картофеле-
перерабатывающей, крахмалопаточной, пище-
концентратной, масложировой, производства
продуктов детского низания. винодельческой,
пивобезалкогольной, спирювой и ликерово-
дочной, табачной, рыбной, чайной, соляной,
парфюмерно-косметической. холодильной
обработки и хранения сельскохозяйственной
продукции и ее переработки на непищевые
товары народного потребления.
Каждая отрасль имеет группу машин для
выработки определенного продукта, например:
в сахарной промышленности - производ-
ство сахарного песка, сахара-рафинада;
хлебопекарной - производство ржаных и
пшеничных сортов хлеба, формовых и подо-
вых, мелкоштучных изделий, производство
сухарных изделий;
в молочной - цельномолочное и кисло-
молочное производство, производство творога,
сыров, мороженого, ЗЦМ, сухих молочных
продуктов;
в кондитерской - выработка карамели,
конфет, бисквитных изделий, пастило-марме-
ладных изделий и др.
Внутри каждой такой группы формирует-
ся набор машин для выработки определенных
сортов изделий и г.д.
В пищевой и перерабатывающей про-
мышленности при разнообразии исходного
сырья (плоды, овощи, зерно, бобовые и масле-
ничные культуры, мясо, птица, молоко, овощи,
и др.) технологические процессы в основном
идентичные:
механические - измельчение, сортирова-
ние, прессование;
гидродинамические - движение в жидких
и газообразных системах;
тепловые - нагревание и охлаждение, вы-
паривание, конденсация, получение и обработ-
ка холодом;
массообменные - абсорбция и адсорбция,
экстракция, сушка, кристаллизация, перегонка;
приведение продукции в товарное со-
стояние - фасование, розлив, упаковывание,
пакетирование.
Идентичность процессов позволяет соз-
давать и производить оборудование, приме-
няемое в различных отраслях пищевой и пере-
рабатывающей промышленности, т.е. межот-
раслевое: сушильная техника, жидкостные
30
Глава!. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ И НАЗНАЧЕНИЕ МАШИН
сепараторы и другая центрифугальная техника,
теплообменные аппараты, насосы для пищевых
сред, транспортные средства, холодильная
техника, оборудование для фасования и упако-
вывания, производство металлической тары,
дозировочно-смесительное оборудование и др.
Система машин для пищевой и перераба-
тывающей промышленности имеет сложную
расчлененно-целостную структуру, диффе-
ренцированную на ряд подсистем и вместе с
тем выступающую как единое целое. Впервые
была разработана в 1969 г. после создания Ми-
нистерства машиностроения для легкой и пи-
щевой промышленности и бытовых приборов
(Минлегпищемаш), на которое были возложе-
ны функции головного министерства, ответст-
венного за технический уровень, производство
и полное удовлетворение потребности народно-
го хозяйства в технологическом оборудовании.
Разработка и ведение системы машин по-
зволили планировать и осуществлять работы
по созданию, освоению и внедрению новых
видов техники в обслуживаемую отрасль, а
также проводить работы по унификации тех-
нических средств, применяемых как внутри
отрасли, так и межотраслевого применения.
На ее основе создавалась элементно-
агрегатная база продовольственного машино-
строения.
Система машин требует постоянного вне-
сения изменений, так как разрабатываются
новые технологии получения как традицион-
ных продуктов питания, так и новых, требую-
щих соответствующего аппаратурного оформ-
ления, изменяются конструкции машин вслед-
ствие прогресса в машиностроении.
Построение системы машин исходит из
технологии переработки сырья и производства
продуктов питания, выдаваемых для этих це-
лей соответствующими организациями обслу-
живаемой отрасли. Эффективность разрабаты-
ваемой системы машин во многом зависит от
данных по системам технологических процес-
сов, поэтому ей должна предшествовать разра-
ботка перспективных технологических схем.
Разработка и ведение системы машин
осуществляются в соответствии с методикой, в
которой применяются следующие обозначения:
П - оборудование, серийно изготовляе-
мое и соответствующее современному техни-
ческому уровню или превышающее его;
М - оборудование, серийно изготовляе-
мое, но для поддержания или повышения тех-
нического уровня которого требуется его мо-
дернизация (с разработкой технического зада-
ния);
3 - оборудование, серийно изготовляе-
мое, но устаревшее и требующее замены;
Р - оборудование, принятое приемочной
комиссией, подлежащее освоению в серийном
производстве, предназначенное для расшире-
ния номенклатуры:
Ps - оборудование, предназначенное для
замены устаревшего оборудования;
Рм - принятое приемочной комиссией
модернизированное оборудование, подлежа-
щее освоению в серийном производстве;
Н - оборудование, подлежащее созда-
нию, в том числе находящееся на различных
стадиях опытно-конструкторских работ, пред-
назначенное для расширения номенклатуры;
Н'з - то же, но предназначенное для за-
мены устаревшего оборудования;
Н'м - оборудование, находящееся в раз-
ной стадии модернизации, но еще не сданное
приемочной комиссией;
С - оборудование, подлежащее снятию с
производства.
В систему машин включается техника:
изготовляемая отечественным машино-
строением независимо от ведомственной под-
чиненности;
поставляемая из-за рубежа при отсутст-
вии отечественных аналогов;
выпускаемая совместными с зарубежны-
ми фирмами предприятиями.
Система машин содержит, в основном:
перечень технологического оборудова-
ния, состояние или перспективу его производ-
ства;
марку или тип оборудования;
основные технические характеристики;
перечень предприятий-изготовителей и
организаций-разработчиков серийно изготов-
ляемой техники или находящейся на разных
этапах создания;
наименование страны, фирмы, если обо-
рудование поставляется из-за рубежа;
год постановки изделия на производство.
Завершается система машин итоговыми
данными, которые определяют степень удовле-
творения потребности обслуживаемой отрасли
(подотраслей) в технологическом оборудова-
нии, перечень нового оборудования, модерни-
зируемого, заменяемого и снимаемого с произ-
водства. Система технологий и машин является
фундаментом научно-технического прогресса.
В условиях рыночных отношений роль
системы машин возрастает.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
31
В современных условиях предприятие
(фирма) самостоятельно организует свою дея-
тельность и стабильное серийное производство
машин, их модернизация, освоение новых ви-
дов оборудования не может эффективно осу-
ществляться без изучения их нахождения в
системе машин и определения в связи с этим
их грамотной потребности на рынке.
Реализация новой технологической и
технической политики в перерабатывающих
отраслях, освоение ресурсосберегающих, эко-
логически безопасных, адаптированных к рос-
сийским условиям технологий и техники для
переработки сельскохозяйственного сырья, и
обеспечение конкурентоспособности на миро-
вом рынке отечественной машиностроительной
и продовольственной продукции не могут быть
осуществлены без системы технологий и машин.
Система машин - это основной инстру-
мент изучения и прогнозирования рынка в об-
ласти номенклатуры выпускаемой техники,
который является одним из инструментов мар-
кетинга. Без нее в значительной степени за-
труднена организация работ по рекламе, ин-
формации и выпуску системных каталогов.
Система машин является основным фун-
даментом для организации управленческой
деятельности на разных ее уровнях.
Если в дальнейшем наша промышлен-
ность войдет в состав единого экономического
пространства, то грамотно оценить сущест-
вующее международное разделение труда и
найти место в этом делении можно только имея
полную картину сегодняшнего насыщения по-
требителя номенклатурной техники на современ-
ном уровне, т.е. с помощью системы машин.
Обеспечить устойчивое контролируемое
производство и тем самым гарантировать вы-
пуск всей продукции с определенными фикси-
рованными показателями качества возможно
при сертификации не только конечной продук-
ции, но и сертификации производства.
Основой такой сертификации должны
служить системы технологий и системы ма-
шин, так как включенные в них технологии и
оборудование отвечают требованиям стабиль-
ного, устойчивого производства, т.е. обеспечи-
вают выпуск продукции с заданными показате-
лями качества в течение всего времени их
функционирования. Использование предпри-
ятием технологий и оборудования, включен-
ных в системы, предполагает возможность
выпуска на нем продукции стабильного каче-
ства, что упрощает проблему сертификации
производства.
Учитывая происходящие изменения в об-
служивающей отрасли и сложившиеся направ-
ления научно-технического прогресса в ней,
изменяется концепция разработки ведения и
реализации системы машин. Необходима раз-
работка целостного документа - системы ма-
шинных технологий и машин для пищевой и
перерабатывающей промышленности. Созда-
нию такой системы должно предшествовать
создание эффективной системы технологиче-
ских процессов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Влияние режимов экструзии на каче-
ственные характеристики продуктов с пище-
выми волокнами / Л.Г. Винникова и др. И Изв.
вузов. Пищевая технология. 1992. № 5-6.
С. 72-74.
2. Козина З.А. Изменение качества про-
дукта в процессе формования рубленных по-
луфабрикатов // Теоретические и практические
аспекты применения методов инженерной фи-
зико-химической механики с целью совершен-
ствования и интенсификации технологических
процессов пищевых производств. 3 Всесоюзн.
науч.-техн, конф., Москва, 1-4 нояб. 1990: Тез.
докл. С. 84.
3. Мачихин Ю.А., Мачихин С.А. Инже-
нерная реология пищевых материалов. М.:
Легкая и пищевая промышленность, 1981. 216 с.
4. Назаров Н.И. Технология макаронных
изделий. М.: Пищевая промышленность, 1978.
287 с.
5. Панфилов В.А. Оптимизация техноло-
гических систем кондитерского производства:
Стабилизация качества продукции. М.: Пище-
вая промышленность, 1980. 248 с.
6. Сукманов В.А. Повышение техниче-
ского уровня качества оборудования для меха-
нической обработки продуктов питания. До-
нецк: РИП «Лебедь», 1995. 236 с.
7. Технологическое оборудование пище-
вых производств / Под ред. Б.М. Азарова. М.:
Агропромиздат, 1988. 463 с.
8. Контроль производственного процесса//
Все о качестве. Зарубежный опыт. Вып. 1,
1997. М.: НТК «Трек», 1997. 14 с.
9. Статистическое управление процес-
сами. SPC: Пер. с англ. Н. Новгород: СМЦ
«Приоритет», 1997. 174 с.
10. Химмельблау Д. Анализ процессов
статистическими методами: Пер. с англ. М.:
Мир, 1973.957 с.
32
Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
11. Система научного и инженерного
обеспечения пищевых и перерабатывающих
отраслей АПК России / А.Н. Богатырев и др.
М.: Пищеввая промышленность, 1995. 528 с.
12. Основы управления инновациями в
пищевом подкомплекте АПК (наука, техноло-
гия, экономика) / Под общ. ред. В. И. Гу жилкина.
М.: Издательский комплекс МГУПП, 1997. 882 с.
13. Технологические линии пищевых
производств / В.А. Панфилов, О.А. Ураков. М.:
Пищевая промышленность, 1996. 472 с.
14. Пищевая промышленность России в
условиях рыночной экономики / Под ред.
Е.И. Сизенко. М.: Пищепромиздат, 2002. 692 с.
Глава 2
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЛИНИИ
ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
Технологические линии пищевых произ-
водств предназначены для преобразования
сельскохозяйственного сырья в пищевую про-
дукцию. На вход технологической линии пода-
ется исходное сырье (или полуфабрикат), об-
ладающее определенными показателями
свойств, а с нее сходит готовая продукция с
другими показателями свойств. Для пищевых
технологий характерно исключительное мно-
гообразие свойств сырья, полуфабрикатов и
готовых пищевых продуктов.
Создание технологической линии - слож-
нейший вид инженерной деятельности, пред-
полагающий знание свойств сельскохозяйст-
венной продукции, технологию приготовления
пищевого продукта, процессов преобразования
транспортирования и хранения веществ, энер-
гии и информации, проектирования и конст-
руирования машин и аппаратов, технологии
машиностроения, вопросов монтажа, эксплуа-
тации и ремонта оборудования и др.
2.1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ
И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
При функционировании технологической
линии осуществляется последовательно ряд
технологических операций, направленных на
преобразование исходного сырья в готовую
продукцию. Технологическая операция выпол-
няется, как правило, на конкретной машине
или агрегате. Две и более технологические
операции образуют технологическую подсис-
тему, соответствующую определенному ком-
плексу технологического оборудования (агре-
гату, установке), или набор оборудования в
границах производственного участка. Объеди-
нением нескольких подсистем, реализующих
все стадии переработки сырья и выпуска гото-
вой продукции, можно сформировать техноло-
гическую систему, которая будет соответство-
вать всей собокхпности оборудования, входя-
щего в сие гав технолог ической линии.
Построение icxho.ioiических линий пу-
тем объединения машин, аппаратов, модулей,
агрщатов и других составных частей базирует-
ся на поточности производства, основные при-
знаки которого следующие:
специализация технологических опера-
ций - каждая составная часть линии выполняет
лишь определенную часть общей работы;
интеграция технологических операций -
отдельная составная часть линии может со-
вмещать выполнение группы технологических
операций;
одновременное выполнение различных
технологических операций всеми составными
частями линии;
последовательное ритмичное перемеще-
ние объекта переработки от входа технологи-
ческой линии к ее выходу;
синхронность выполнения технологиче-
ских и транспортных операций в потоке в со-
ответствии с производительностью линии.
На основании функционального анализа
различных технологических операций, выпол-
няемых с целью преобразования потребитель-
ских свойств исходного сырья сначала в свой-
ства определенных полуфабриков, а затем в
потребительские свойства готовой продукции,
в составе технологической линии можно выде-
лить три основных комплекса оборудования:
А, В и С.
Группирование оборудования линии обу-
словлено различием и особенностями функ-
циональных задач машин и аппаратов, входя-
щих ч состав еоо'’ вега веющего комплекса.
Комплекс А предназначен для подготов-
ки исходного сырья к переработке, а также для
преобразования потребительских свойств сы-
рья в технологические, чтобы обеспечить эф-
фективное извлечение полезных веществ из
сырья и оптимальные условия для получения
требуемого состава и строения промежуточных
полуфабрикатов.
Комплекс В - наиболее ответственная
(центральная) подсистема любой технологиче-
ской линии. При всем многообразии свойств
промежуточных полуфабрикатов с помощью
оборудования комплекса В получают оконча-
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
33
гельный полуфабрикат, строение и состав ко-
торого не подлежат в дальнейшем корректи-
ровке. Отличительная особенность оконча-
тельного полуфабриката - это то, что его со-
став и строение соответствуют только одному
конкретному наименованию готовой продук-
ции. Если показатели свойств окончательного
полуфабриката изменяются в пределах больше
допустимых, то получают либо дефектную
продукцию, либо продукцию другого наимено-
вания. В обоих случаях цель функционирова-
ния технологической линии не будет достигну-
та.
При функционировании комплекса С
нормативные значения потребительских
свойств готовой продукции получаются в ре-
зультате преобразования окончательного по-
луфабриката. Поэтому каждому комплексу С в
составе линии должен предшествовать ком-
плекс В, обеспечивающий получение оконча-
тельного полуфабриката из промежуточного.
Все технологические линии перерабаты-
вающих отраслей агропромышленного ком-
плекса (АПК) могут быть разделены на три
функциональные группы:
I) линия для разборки сельскохозяйст-
венного сырья с выделением основного пище-
вого ряда сопутствующих продуктов;
2) линии для сборки пищевого продукта
из исходного сырья;
3) линии, обладающие признаками и пер-
вой, и второй функциональной группы.
Технологическими линиями для пер-
вичной переработки сырья оснащены пред-
приятия по переработке: скота, птицы и рыбы;
зерновых культур; молока; масличных семян
(подсолнечника, хлопка и др.); сахарной свек-
лы; картофеля; плодов; винограда; чайного и
табачного листа и других сельскохозяйствен-
ных культур.
Все виды животного и растительного сы-
рья обладают сложной многокомпонентной
структурой, а также содержат различные при-
меси, поэтому основными способами перера-
ботки являются очистка и разборка исходного
сырья. В линиях для первичной переработки
сырья технологический процесс направлен в
основном на разделение пищевых сред. Но-
менклатура продукции является, как правило,
многопредметной, зависит от числа полезных
компонентов, содержащихся в сырье.
При этом, если даже основная продукция
линии однопредметная (сахар, масло), то по-
бочные продукты производства обычно обла-
дают полезными потребительскими свойства-
ми (жом, жмых, патока и др.) и находят приме-
нение в сельскохозяйственном производстве
или смежных отраслях, например, в свеклоса-
харном производстве:
жом можно применять в качестве вторич-
ного сырья для изготовления пектина и пекти-
нового клея, а также непосредственно скарм-
ливать скоту;
из жомовой воды получают кальциевые
соли;
меласса может быть вторичным сырьем
для получения глицерина, дрожжей, лимонной
кислоты, спирта, молочной кислоты, ацетона,
бутанола, масляной кислоты;
фильтрационный осадок можно направ-
лять в хозяйства как удобрение.
Технологическая схема линии производ-
ства сахара-песка из сахарной свеклы пред-
ставлена на рис. 2.1.
Сахарная свекла подается в завод из бурачной
или с кагатного поля. По гидравлическому конвейеру
она поступает к свеклонасосам и поднимается на
высоту до 20 м. Дальнейшее перемещение ее для
осуществления различных операций технологическо-
го процесса происходит самотеком. По длине гидро-
конвейера 1 последовательно установлены соломо-
ботволовушки 2, камнеловушки 4 и водоотделители
5. Это технологическое оборудование предназначено
для отделения легких (солома, ботва) и тяжелых
(песок, камни) примесей, а также для отделения
конвейерно-моечной воды. Для интенсификации
процесса улавливания соломы и ботвы в углубление
3 подается воздух. Сахарная свекла после водоотде-
лителей поступает в моечную машину 6 для оконча-
тельной очистки свеклы. В сточные воды гидро-
конвейера и моечной машины попадают отломив-
шиеся хвостики свеклы, небольшие кусочки и мел-
кие корнеплоды (1. 3% массы свеклы), поэтому
конвейерно-моечные воды направляются в сепаратор
для отделения от них хвостиков и кусочков свеклы,
которые после обработки поступают на ленточный
конвейер 14.
Отмытая сахарная свекла орошается чистой
водой из специальных устройств 7, поднимается
элеватором 8 и поступает на конвейер 9, где элек-
тромагнит 10 отделяет металлические предметы,
случайно попавшие в свеклу. После взвешивания на
весах 11 из бункера 12 свекла направляется в измель-
чающие машины-свеклорезки 13. Стружка должна
быть ровной, упругой и без мезги, пластинчатого или
ромбовидного сечения, толщиной 0,5...1,0 мм.
Свекловичная стружка из измельчающих ма-
шин с помощью ленточного конвейера 14, на кото-
ром установлены конвейерные весы, подается в
диффузионную установку 15.
Сахар, растворенный в свекловичном соке
корнеплода, извлекается из клеток противоточной
2 — 8434
34
Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
Рис. 2.1. Схема технологической линии производства сахара-песка из сахарной свеклы
диффузией, при которой стружка поступает в голов-
ную часть агрегата и движется к хвостовой части,
отдавая сахар путем диффузии в движущуюся на-
встречу экстрагенту высолаживающую воду. Из
конца хвостовой части агрегата выводится стружка с
малой концентрацией сахара, а экстрагент, обога-
щенный сахаром, выводится как диффузионный сок.
Из 100 кг свеклы получают приблизительно 120 кг
диффузионного сока. Жом отводится из диффузион-
ных установок конвейером 16 в цех для прессования,
сушки и брикетирования.
Диффузионный сок пропускается через фильтр
7 7, подогревается в устройстве 28 и направляется в
аппараты предварительной и основной дефекации 27,
где он очищается в результате коагуляции белков и
красящих веществ и осаждения ряда анионов, даю-
щих нерастворимые соли с ионом кальция, содержа-
щимся в известковом молоке (раствор извести). Из-
вестковое молоко вводится в сок с помощью дози-
рующих устройств.
Дефекованный сок подается в котел первой са-
турации 26, в котором дополнительно очищается
путем адсорбции растворимых несахаров и особенно
красящих веществ на поверхности частиц мелкого
осадка СаСО% который образуется при пропускании
диоксида углерода через дефекованный сок. Сок
первой сатурации подается через подогреватель 25 в
гравитационный отстойник 24 для разделения на
фракции: осветленную (80 % сока) и сгущенную
суспензию, поступающую на вакуум-фильтры 23.
Фильтрованный сок первой сатурации направ-
ляется в аппараты 22 второй сатурации для ударения
из него извести в виде СаСОз.
Сок второй сатурации подается на фильтры 21.
Соки сахарного производства приходится фильтро-
вать несколько раз. В зависимости от цели фильтро-
вания используются различные схемы процесса и
фильгровальное оборудование.
Отфильтрованный сок из фильтра 21 подается
в котел сульфитации 20. Цель сульфитации - умень-
шение цветности сока путем обработки его диокси-
дом серы, который получают при сжигании серы.
Сульфитированный сок направляется на стан-
цию фильтров 19, а затем транспортируется через
подогреватели в первый корпус выпарной станции
18. Выпарные установки предназначены для после-
довательного сгущения очищенного сока второй
сатурации до концентрации густого сиропа; при этом
содержание сухих веществ в продукте увеличивается
с 14... 16 % в первом корпусе до 65.. 70 % (сгущенный
сироп) в последнем. Свежий пар поступает только в
первый корпус, а последующие корпуса обогревают-
ся соковым паром предыдущего корпуса.
Полученный сироп направляется в сульфита-
тор 29, а затем на станцию фильтрации 30. Фильтро-
ванный сироп подогревается в подогревателе 31,
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
35
откуда поступает в вакуум-аппараты первого про-
дукта 32. Сироп в вакуум-аппаратах уваривается до
пересыщения, сахар выделяется в виде кристаллов.
Продукт, полученный после уваривания, называется
утфелем. Он содержит около 7,5 % воды и около
55 % выкристаллизовавшегося сахара.
Сироп уваривают в периодически действую-
щих вакуум-аппаратах. Утфель первой кристаллиза-
ции из вакуум-аппаратов поступает в приемную
утфелемешалку 33, откуда его направляют в распре-
делительную мешалку, а затем в центрифуги 34, в
которых под действием центробежной силы кристал-
лы сахара отделяются от межкристальной жидкости -
первого оттека. Чистота первого оттека 75...78 %, что
значительно ниже чистоты утфеля.
При пробеливании кристаллов часть сахара
растворяется, поэтому из центрифуги отходит оттек
более высокой чистоты - второй оттек.
Второй и первый оттеки подают в вакуум-
аппарат второй (последней) кристаллизации, где
получают утфель второй кристаллизации, содержа-
щий около 50 % кристаллического сахара. Утфель
постепенно охлаждают до температуры 40 °C при
перемешивании в утфелемешалках-кристаллизато-
рах. При этом дополнительно выкристаллизовывает-
ся еще некоторое количество сахара. Утфель второй
кристаллизации направляется в центрифуги с отде-
лением кристаллов сахара мелассы, которая являет-
ся отходом сахарного производства, так как полу-
чение из нее сахара путем дальнейшего сгущения и
кристаллизации нерентабельно. Желтый сахар вто-
рой кристаллизации рафинируют первым оттеком,
полученный утфель направляется в распределитель-
ную мешалку, а затем в центрифуги. Полученный
сахар растворяется, и сок поступает в линию произ-
водства.
Белый сахар, выгружаемый из центрифуг 34,
имеет температуру 70 °C и влажность 0,5 % при
пробеливании паром или влажность 1,5% при про-
беливании водой. Он попадает на виброконвейер 35
и транспортируется в сушильно-охладительную
установку 36.
После сушки сахар-песок поступает на весовой
ленточный конвейер 37 и далее на вибросито 38.
Комочки сахара отделяются, растворяются и возвра-
щаются в продуктовый цех.
Товарный сахар-песок поступает в силосные
башни 39 (склады длительного хранения).
Полезные вещества (компоненты), со-
держащиеся в первичном сырье, образуются в
результате жизнедеятельности растительных и
животных организмов в условиях сельскохо-
зяйственного производства или естественной
природной среды (лесные растения, дикие жи-
вотные, рыба и др.). Кроме того, они создаются
в искусственных условиях, в частности, в про-
цессе жизнедеятельности микроорганизмов,
например, при брожении. Поэтому в состав
линии бродильных производств включают
группы оборудования, в котором обеспечива-
ется жизнедеятельность микроорганизмов для
проведения микробиологических процессов: в
линиях выработки пива, вина, кваса, этилового
спирта, хлебопекарных и кормовых дрожжей;
бактерий в линиях получения молочной, ук-
сусной и масляной кислот; плесневых грибов в
линиях изготовления лимонной, глюконовой,
итаконовой, фумаровой кислот, ферментов,
витаминов и антибиотиков.
Важная задача создания ихнологической
линии первичной переработки сырья - это ра-
циональное использование всех полезных ве-
ществ, содержащихся в нем, а не только тех,
из них, которые предусмотрены рецептурой на
основную продукцию, т.е. получение безот-
ходной технологии, при которой отходы про-
изводства, содержащие полезные вещества,
подвергаются дополнительной обработке с
целью сохранения их полезных свойств, обес-
печения возможности транспортирования и
использования. Пример рациональной перера-
ботки животного сырья - безотходная техноло-
гия переработки крупного рогатого скота и
свиней путем комплексной переработки крови,
кости и жира для пищевых целей, получения
животных кормов из отходов, обработки и кон-
сервирования кожевенного и шубно-мехового
сырья и др.
На рис. 2.2 показана технологическая схема
линии первичной переработки крупного рогатого
скота. Электрооглушение скота выполняют в боксе
1, представляющем собой устройство для фиксации
животных в определенном положении. Удерживае-
мое фиксаторами животное поступает к месту вы-
грузки, а в это время оглушают следующее живот-
ное.
У места выгрузки фиксаторы опускаются, жи-
вотное с помощью отражателя сбрасывают на пол 2
цеха. Здесь накладывают путовые цепи и поднимают
туши на подвесной путь с помощью лебедки для
обескровливания с помощью полого ножа 3. Конец
шланга ножа держат опущенным в сосуд 4 для сбора
крови. Кровь стекает в поддоны, расположенные под
подвесным путем конвейера.
Голову после съемки шкуры отделяют ножом
5. Затем для дальнейшей обработки тушу пересажи-
вают на конвейер 6 участка забеловки 7.
Шкуру снимают вручную с конечностей, шеи,
а также с грудной и брюшной частей туши. Забелов-
ку проводят для подготовки туш к механической
съемке шкуры. Установка для механической съемки
шкуры 8 работает на принципе отрыва.
Для извлечения внутренних органов (нутров-
ки) тушу разрезают ножом 9 на конвейере нутровки
10, где производится ветеринарный осмогр внутрен-
ностей.
Затем гушу распиливают электропилой 11, вы-
полняют сухую зачистку ножом 12, моют водой в
36
Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
Рис. 2.2. Схема технологической линии первичной переработки крупного рогатого скота
моечной машине /5, что способствует удалению с
поверхности не только механических, но и микроб-
ных загрязнений. Воду для мойки подают струями
под значительным давленим.
Клеймение и взвешивание туш осуществляют с
помощью клейм и весоизмерительных устройств 14.
В состав технологической линии должно
быть включено также оборудование для утили-
зации и обезвреживания отходов производства,
не имеющих полезного применения. Экологи-
ческая безопасность - одно из обязательных
условий современного производства.
Число комплексов в составе линии и кон-
кретные задачи их функционирования зависят
от способа преобразования исходного сырья и
вида выпускаемой продукции.
При переработке сырья методом разборки
в состав технологической линии вводят обычно
один комплект А, а число комплектов В и С
равно числу видов выпускаемой готовой про-
дукции, включая вторичное сырье, направляе-
мое на другие предприятий.
Задачи функционирования комплекса А -
это подготовка сырья путем его измельчения,
сортирования, нагревания, охлаждения, плав-
ления или растворения, а также предваритель-
ного смешивания рецептурных компонентов.
Начальный этап технологического процесса
связан с необходимостью очистки исходного
сырья от внешних примесей: загрязнений на-
ружной поверхности сырья; частей раститель-
ных организмов, семян сорняков, пыли, песка,
камней и др. Если загрязняющие вещества со-
единены с наружной поверхностью сырья дос-
таточно прочно, то сырье должно подвергаться
предварительной мойке в водных растворах в
сочетании с механическим, гидродинамиче-
ским и тепловым воздействием. Когда примеси
не имеют прочной связи с наружной поверхно-
стью сырья, то необходима его очистка в воз-
душной или водной среде путем использования
различия физических свойств сырья и его при-
месей: геометрических размеров, плотности,
шероховатости поверхности, электромагнит-
ных характеристик и др.
В число задач, решаемых с помощью обо-
рудования комплекса А, входит разрушение
внешней структуры сырья (его наружного по-
крова и оболочек) с получением неоднородных
грубоизмельченных смесей и внутренней
структуры сырья (его скелетных структур,
клетчатки, оболочек растительных клеток, со-
единительных тканей животного сырья и др.).
Внешнюю и внутреннюю структуры
можно разрушить механически: процессами
резания, дробления и измельчения в сочетании
с термической, гидравлической, химической
или биохимической обработкой сырья.
Задачи извлечения полезных веществ из
сырья связаны с отделением полезных веществ
от примесей: наружной оболочки, скелетной
структуры, клетчатки, воды и др.
На разделение поступают неоднородные
смеси твердых и жидких компонентов сырья:
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
37
сыпучие вещества, эмульсии, суспензии, слож-
ные гетерогенные структуры. Составные части
этих смесей имеют различные физико-
химические свойства, обусловленные фазным
состоянием, геометрическими размерами,
плотностью, шероховатостью поверхности,
температурами плавления и кипения, электро-
магнитными характеристиками и др. Благодаря
этим различиям можно разделить неоднород-
ные вещества на жидкие и твердые, газообраз-
ные и жидкие (или твердые), тяжелые и легкие,
крупные и мелкие, длинные и короткие, легко-
и тугоплавкие, магнитные и немагнитные ма-
териалы и т.д.
При извлечении полезных веществ или
удалении посторонних примесей широко ис-
пользуются массообменные процессы, связан-
ные с конвекцией, диффузией, осаждением,
фильтрацией, экстракцией, ректификацией и
др. Процессы можно интенсифицировать путем
прессования, ваккуумирования, центрифугиро-
вания, вибрации, нагревания, охлаждения и
других воздействий на перерабатываемые про-
дукты.
В линии производства растительного масла из
семян подсолнечника (рис. 2.3) поступающие на
кратковременное хранение в силос 2 семена подсол-
нечника предварительно взвешивают на весах 1.
Семена могут содержать большое количество приме-
сей, поэтому перед переработкой их дважды очища-
ют на двух- и трехситовых сепараторах 3 и 4, а также
на магнитном уловителе 5. Примеси растительного
происхождения, отделяемые на сепараторах, соби-
рают и используют в комбикормовом производстве.
Очищенные от примесей семена взвешивают
на весах 6 и подают в расходный бункер 7, откуда
они транспортируются в шахтную сушилку 8, со-
стоящую из нескольких зон. Сначала семена сушат, а
затем охлаждают. В процессе тепловой обработки их
влажность уменьшается с 9... 15 до 2.7 %. Высушен-
ные семена проходят контроль на весах 9, а затем
направляются в силосы на длительное хранение или
в промежуточный бункер 10 для дальнейшей перера-
ботки.
Дальнейшая переработка семян заключается в
максимальном отделении оболочки от ядра. Этот
процесс предусматривает две самостоятельные опе-
рации: шелушение (обрушивание) семян и собствен-
но отделение оболочки от ядра (отвеивание, сепари-
рование). Семена шелушат в дисковой мельнице 11.
Рушанка, получаемая из семян после мельницы,
представляет собой смесь частиц, различных по мас-
се, форме, парусности и размерам. Для отделения
оболочки от ядра в основном применяют аспираци-
онные веялки - воздушно-ситовые сортирующие
машины 12. Ядро подается в промежуточный бункер
13, а остальные части смеси обрабатываются для
выделения целых ядер и обломков семян подсолнеч-
ника, которые вместе с целыми ядрами поступают на
дальнейшую переработку.
После взвешивания на весах 14 ядра подсол-
нечника измельчаются на пятивальцовом станке 15 в
мезгу. Процесс измельчения может осуществляться
за один или два раза - предварительно и окончатель-
но. При измельчении происходит разрушение кле-
точной структуры ядер подсолнечника, что необхо-
димо для создания оптимальных условий ддя наибо-
лее полного и быстрого извлечения масла при даль-
нейшем прессовании или экстрагировании.
Мезга поступает в жаровню 16, в которой за
счет влажностно-тепловой обработки достигается
оптимальная пластичность продукта и создаются
условия для облегчения отжима масла на прессах.
При жарении влажность мезги понижается до 5...7 %,
а температура повышается до 105... 115 °C.
Рис. 2.3. Схема технологической линии
производства подсолнечного масла
38
Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
Из шнекового пресса 17 выходят два продукта:
масло, содержащее значительное количество частиц
ядра и поступающее в фильтр-пресс 18, и жмых,
содержащий 6,0..6,5 % масла, которое необходимо
извлечь из него. Поэтому в дальнейшем гранулы
жмыха подвергаются измельчению в молотковой
дробилке 19 и вальцовом станке 20, а продукт из-
мельчения - экстрагированию в экстракционном
аппарате 21. Аппарат имеет две колонны, соединен-
ные перемычкой, в которых расположены шнеки,
транспортирующие частицы жмыха из правой ко-
лонны в левую. Противотоком к движению жмыха
перемещается экстрагирующее вещество - бензин,
являющийся летучим растворителем. В связи с тем
что бензин в смеси с воздухом воспламеняется при
температуре около 250 °C, на экстракционных заво-
дах температура перегрева технологического пара не
должна превышать 220 °C.
Смесь масла, бензина и некоторого количества
частиц направляется в отстойник или патронный
фильтр 22.
Из левой экстрагирующей колонны аппарата
21 выводится обезжиренный продукт - шротом,
который после извлечения из него остатков бензина
направляется на комбикормовые заводы.
Очищенный от твердых частиц раствор масла в
бензине - мисцелла - подается на дистилляцию. В
предварительном дистилляторе 23 мисцелла нагрева-
ется до 105... 115 °C, и из нее при атмосферном дав-
лении частично отгоняются пары бензина. В оконча-
тельном дистилляторе 24, работающем под разреже-
нием, из мисцеллы удаляются остатки бензина, и
очищенное масло подается на весы 25. После весово-
го контроля масло подается в упаковочную машину
26, а в машине 27 пачки фасованного масла уклады-
ваются в ящики.
Основные задачи функционирования ком-
плекса С, входящего в состав линий для пере-
работки первичного сырья методом разборки,
связаны с доводкой показателей свойств окон-
чательного полуфабриката до нормативных
значений, а также с обработкой и защитой про-
дукции, обеспечивающих ее сохранность при
транспортировании, хранении и потреблении.
К числу этих задач относится тепловая обра-
ботка продукции с целью подготовки ее к
употреблению в пищу, а также для пастериза-
ции, стерилизации.
Фиксацию пространственной структуры
продуктов первичной переработки сырья мож-
но осуществить кристаллизацией, студнеобра-
зованием или обезвоживанием с одновремен-
ным температурным воздействием: нагревани-
ем или охлаждением. Решение этих задач, в
частности, обеспечивается при функциониро-
вании оборудования для сушки, обжарки, за-
мораживания и охлаждения сырья и полуфаб-
рикатов. Другая группа задач связана с мойкой
и тепловой обработкой тары.
Значительное место в составе комплекса
С занимают группы оборудования для выпол-
нения финишных операций: дозирования про-
дуктов мелкими и крупными дозами, фасова-
ния жидкой продукции в бутыли, пакеты, би-
доны или цистерны, твердой сыпучей продук-
ции в пакеты, ящики, мешки или цистерны и
др.
Продукция технологических линий для
первичной обработки сырья - это твердые сы-
пучие среды, жидкости и жидкообразные мас-
сы или составные части туш животных. Если
эта продукция предназначена для реализации
через торговые организации, то ее упаковыва-
ют мелкими дозами в мягкую или твердую
тару (пакеты, коробки, банки, бутылки и т.п.);
если направляется на дальнейшую переработ-
ку, то ею заполняют цистерны или контейнеры
специального транспорта и крупногабаритную
тару в виде мешков, бидонов, бочек, бутылей и
др.
Технологическая линия производства овсяной
крупы предназначена для первичной переработки
зерна крупной фракции (рис. 2.4). Зерно овса из бун-
кера 1 через автоматические весы 2 поступает в ус-
тановленные последовательно воздушно-сиговые
сепараторы 3 и 4. Проход сит этих сепараторов на-
правляется в сортировочную машину 5, где отделя-
ется мелкое зерно.
Очищенное зерно с воздушно-ситового сепара-
тора 4 и зерно, прошедшее через триер 6, подверга-
ется гидротермической обработке, которая улучшает
не только технологические свойства зерна, но и по-
требительские свойства овсяной крупы. С этой це-
лью овес пропаривают в пропаривателе 8 непрерыв-
ного действия, куда он поступает из бункера 7, в
результате чего влажность зерна повышается до
20 %. Затем овес подается в вертикальную паровую
сушилку 9, где влажность его снижается до 10 %, и в
охладительную колонку 10.
После гидротермической обработки зерно
окончательно очищается от примесей в воздушно-
ситовом сепараторе /7 и делится на крупную и мел-
кую фракции, которые раздельно направляются на
шелушение в практически одинаково организован-
ных технологических потоках.
Зерно после обработки в шелушильной маши-
не 12 подвергается сортировке. В центрифугах 13
количество шелушеных зерен должно составлять
90...96 %, поскольку конструкция рабочих органов
этих машин (бичей) позволяет разрыхлять продукт
при просеивании. После отсеивания мучки и дроб-
ленки продукт поступает в аспираторы 14 для отде-
ления лузги, после чего смесь шелушеных и неше-
лушеных зерен набавляется в крупноотделительные
машины 15 (падди-машины). Выделенное в них не-
шелушеное зерно попадает на повторное шелушение,
а ядро на шлифование в шлифовальный постав 16.
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
39
Рис. 2.4. Схема технологической линии производства овсяной крупы
После шлифования полученную крупу контро-
лируют в рассевах, отбирая крупные примеси, мучку
и дробленку. Затем крупу просеивают в сепараторе и
после контроля в магнитном сепараторе направляют
на упаковку.
2. Технологические линии для вторич-
ной переработки сырья предназначены для
производства колбасных, хлебобулочных, ма-
каронных и кондитерских изделий, пищекон-
центратной, ликероводочной и пиво-
безалкогольной продукции, мясных и плодо-
овощных консервов, майонеза, мыла и синте-
тических моющих средств, парфюмерно-
косметических изделий и др. В линиях для
вторичной переработки сырья в ходе техноло-
гического процесса в основном выполняется
сборка сырья, чтобы образовать многокомпо-
нентные пищевые жидкости и массы. Главные
операции сборки - дозирование и смешивание
рецептурных компонентов, а также их формо-
вание.
На технологических линиях для выпуска
готовой продукции способом сборки, как пра-
вило, перерабатывают вторичное сырье, полу-
ченное в результате функционирования линий
для первичной переработки сырья. Во вторич-
ном сырье внешние и внутренние примеси
натурального сырья практически не содержат-
ся. Но в число задач функционирования обору-
дования комплекса А входит очистка сырья и
полуфабрикатов от технологических примесей
Технологические примеси могут образо-
вываться в результате хранения и транспорти-
ровки вторичного сырья, пригорания или раз-
ложения обрабатываемых рецептурных компо-
нентов, случайного попадания в продукт ино-
родных тел при обслуживании и ремонте обо-
рудования, а также из-за его износа.
Текстура продукции линий для вторич-
ной переработки сырья - в виде твердых сыпу-
чих сред, жидкостей и жидкообразных масс, а
также твердых штучных изделий. Номенклату-
ра продукции в течение одного цикла перера-
ботки обычно однопредметная. Только в кон-
струкциях некоторых линий предусмотрена
возможность одновременного выпуска изделий
разнородных по составу и внешнему виду.
Например, в линиях производства конфет «Ас-
сорти» одновременно вырабатывают набор
конфет с различными начинками и формой.
Линии для вторичной переработки сырья,
как правило, универсальны и после соответст-
вующей переналадки на них можно изготов-
40
Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДС ТВ
лять широкий ассортимент изделий, разли-
чающихся между собой по составу и форме.
В линиях, предназначенных для выпуска
готовой продукции методом сборки исходного
сырья, как правило, имеется по одному ком-
плексу В и С, а число комплексов А зависит от
числа промежуточных полуфабрикатов, из
которых необходимо собрать окончательный
полуфабрикат.
Технологическая схема линии производства ва-
реных колбас представлена на рис. 2.5. После раздел-
ки и обвалки мясо направляют на жиловку: отделе-
ние соединительной ткани, кровеносных и лимфати-
ческих сосудов, хрящей, мелких косточек и загряз-
нений.
Жилованное мясо на предприятиях малой
мощности измельчают в волчке / и с помощью на-
польных тележек 2 транспортируют к смесителю 3, в
котором производят посол. Посоленное мясо выгру-
жают из смесителя 3 в напольную тележку и транс-
портируют в камеру созревания 4.
На предприятиях средней и большой мощно-
сти измельчение и посол мяса осуществляют с по-
мощью посолочного агрегата 5 или комплекса обо-
рудования для посола мяса 6. В первом агрегате
измельченное мясо самотеком попадает в смеситель,
а во втором - фаршевым насосом перекачивается по
трубопроводу от волчка в весовой бункер смесителя.
Посолочные вещества подают автоматические доза-
торы в количестве, пропорциональном массе измель-
ченного мяса в деже смесителя. После перемешива-
ния и выгрузки сырье в тележках направляют в каме-
ру созревания 4.
При использовании чашечного куттера 7 для
тонкого измельчения и приготовления фарша к
шприцующей машине 8 фарш транспортируют в
напольных тележках, которые с помощью подъемни-
ка разгружаются в приемный бункер шприца. В этом
случае формование колбасных батонов производят
вручную в огрезную оболочку с одним заделанным
концом с последующей ручной вязкой батонов шпа-
гатом на конвейерном с голе 9 и разгрузкой их в кол-
басные рамы 10.
Для приготовления вареных колбас с более
высокой степенью механизации применяют комби-
нированные машины для приготовления фарша и
автоматы ыя формования ко юаытых изделий. Сме-
ситель-измельчитель // предназначен для смешива-
ния выдержанною в посоле измельченного мяса с
рецептурными ингредиентами и последующим ею
тонким измельчением Формование вареных колбас с
изготовлением оболочки из рулонного материала
осуществляют на колбасном агрегате 13.
Вагоны, навешанные на палки на рамах 10 на-
правляют в термокамеру 14 для термической обра-
ботки (осадки, обжарки, варки и охлаждения).
На этапе производства сборной продук-
ции перед оборудованием комплекса А обычно
стоят задачи более тонкого измельчения -
диспергирования и равномерною распределе-
ния (гомогенизации) компонентов, образую-
щих промежуточные полуфабрикаты. Для ре-
шения этих задач, в частности, жидкие смеси
можно обрабатывать в эмульсаторах и гомоге-
низаторах, а для обработки смесей, содержа-
щих твердые компоненты, можно применять
куттера, валковые, дисковые, штифтовые или
шаровые мельницы и другие виды измельчаю-
щих механизмов.
Благодаря диспергированию и гомогени-
зации рецептурных смесей, во-первых, улуч-
шаются вкусовые качества пищевой продук-
ции: полезные вещества приобретают дисперс-
ную структуру, более блатоприятную для ус-
Рис. 2.5. Схема технологической линии производства вареных колбас
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
41
воения организмом человека, высвобождаются
приятные ароматические вещества и, наоборот,
удаляются их неблагоприятные компоненты.
Во-вторых, для тонкоизмельченных смесей
характерна большая площадь поверхности раз-
дела фаз, от которой зависят последующие
процессы формирования и фиксации структу-
ры продукции.
После извлечения и очистки полезных
веществ функционально-технологические за-
дачи их дальнейшей переработки - получение
окончательного полуфабриката в результате
функционирования комплекса В. Промежуточ-
ные полуфабрикаты, поступающие в комплекс
В, вначале должны подвергаться обработке с
целью повышения концентрации полезных
веществ путем выпаривания влаги, промыва-
ния водой или растворителями, ректификации
и других воздействий. Следующая группа за-
дач связана с окончательной очисткой полез-
ных веществ: сепарированием, рафинировани-
ем, фильтрацией и др.
Особенность задач, которые должны быть
решены в процессе функционирования ком-
плекса В, - это то, что из полезных веществ,
извлеченных из натурального первичного сы-
рья, необходимо образовать новый искусст-
венный состав и структуру готовой продукции.
При выработке жидкой продукции задачей
завершающих операций, выполняемых на обо-
рудовании комплекса В, является улучшение
вкусовых качеств, аромата, цветности, про-
зрачности и других свойств путем дображива-
ция, созревания, выдержки и др.
При выпуске продукции в твердом виде
завершающие операции комплекса В связаны с
образованием пространственной структуры
продукции с заданными геометрическими раз-
мерами, шероховатостью поверхности и фор-
мой. Решение этих задач обычно связано с
осуществлением процессов кристаллизации,
уплотнения (сбивания), обезвоживания, шли-
фования, обкатки и др.
При производстве продукции, содержа-
щей в пространственной структуре пузырьки
воздуха, задача оборудования комплекса В -
насыщение промежуточного полуфабриката
воздухом. Это может достигаться либо в ре-
зультате механического процесса взбивания
рецептурной смеси путем обработки месиль-
ной лопастью или нагнетания воздуха в объем
смеси под давлением. Широко применяют так-
же способы образования газовой фазы в ре-
зультате жизнедеятельности дрожжей (броже-
ние), либо химических рыхлителей, вводимых
в объем смеси: двууглекислой соды, углеки-
слого аммония и др.
Формирование пространственной струк-
туры пищевых продуктов может быть связано с
проведением химических реакций. Например, в
результате обработки растительных масел во-
дородом в присутствии катализаторов жидкая
структура масла преобразуется в гвердообраз-
ную структуру саломаса.
После диспергирования и гомогенизации
рецептурных компонентов, входящих в состав
промежуточных полуфабрикатов, а также фор-
мирования пространственной структуры этих
полуфабрикатов, получение окончательного
полуфабриката - задача функционирования
комплекса В. Сложность функционирования
этого комплекса оборудования связана с необ-
ходимостью соединения разнородных по со-
ставу и строению промежуточных полуфабри-
катов в единый окончательный полуфабрикат.
При этом различные технологические свойства
промежуточных полуфабрикатов должны быть
преобразованы в ограниченный комплекс тех-
нологических свойств окончательного полу-
фабриката с нормативными показателями по-
требительских свойств.
Получение окончательного полуфабрика-
та часто связано с необходимостью формиро-
вания штучных пространственных тел загото-
вок продукции, в которых промежуточные
полуфабрикаты должны соединяться между
собой с определенной пространственной ори-
ентацией и сохранением поверхности раздела.
То есть необходимо сформировать пространст-
венные конструкции, отвечающие требованиям
определенных массовых, геометрических и
прочностных характеристик, а также соответ-
ствовать нормам эстетического восприятия
формы и поверхности будущих готовых изде-
лий.
Таким образом, в число задач функцио-
нирования оборудования комплекса В наряду с
дозированием промежуточных полуфабрикатов
входит соединение этих гголуфабрикатов в
сводную (рабочую) смесь, вымешивание и го-
могенизация сводной смеси, создание условий
для обеспечения однородности структурно-
механических свойств сводной смеси (путем
темперирования, отлежки, выдержки и т.п.),
деление сводной смеси на дискретные порции
или заготовки (путем резания, выдавливания и
др.), формование дискретных порций и загото-
вок (путем отливки, штампования, преесова-
42
Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
ния, выдавливания, обкатки, прокатки, намазки
и др.).
Основные задачи функционирования ком-
плекса С, входящего в состав линии для выпус-
ка продукции методом сборки исходного сы-
рья, совпадают с задачами аналогичного ком-
плекса, включенного в линию для переработки
первичного сырья методом разборки. Однако
задачи, связанные с сохранением и упаковы-
ванием сборной продукции, очень разнообраз-
ны.
Продукция, выпускаемая на технологиче-
ских линиях для вторичной переработки сырья,
в основном предназначена для реализации на-
селению. Поэтому значительное место в соста-
ве линии занимает оборудование для выполне-
ния финишных операций дозирования и упа-
ковки жидких, сыпучих, пастообразных или
штучных продуктов.
Так, приготовление хлеба можно разде-
лить на следующие стадии:
подготовки сырья к производству - хра-
нение, смешивание, аэрация, просеивание и
дозирование муки; подготовку питьевой воды;
приготовление и темперирование растворов
соли и сахара, жировых эмульсий и дрожжевых
суспензий;
дозирования рецептурных компонентов,
замеса и брожения опары и теста;
разделки - деление созревшего теста на
порции одинаковой массы;
формования - механической обработки
тестовых заготовок с целью придания им опре-
деленной формы: шарообразной, цилиндриче-
ской, сигарообразной и др;
расстойки - брожения сформированных
тестовых заготовок. После расстойки тестовые
заготовки могут подвергаться надрезке (бато-
ны, городские булки и др ):
гидротермической обработки тестовых
заготовок и выпечки хлеба;
охлаждения, отбраковки и хранения хле-
ба.
На рис 2.6 показана технологическая схема ли-
нии для производства одного из массовых видов
хлеба - подового хлеба из пшеничной муки.
Муку доставляют на хлебозавод в ав-
томуковозах. Для пневматической разгрузки муки
автомуковоз оборудован воздушным компрессором и
гибким шлангом для присоединения к приемному
щитку 8. Муку под давлением по трубам 10 загру-
жают в силосы 9 на хранение.
Дополнительное сырье-раствор соли и дрож-
жевую эмульсию хранят в резервуарах 20 и 21.
При работе линии муку из силосов 9 выгружа-
ют в бункер /2 с помощью аэрозольного транспорта,
который кроме труб включает компрессор 4, ресивер
5 и воздушный фильтр 3. Расход муки из каждого
силоса регулируется при помощи роторных питате-
лей 7 и переключателей //. Для равномерного рас-
пределения сжатого воздуха при различных режимах
работы перед роторными питателями устанавливают
ультразвуковые сопла б.
Рис. 2.6. Схема технологической линии производства хлеба
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
43
Рецептурную смесь муки очищают от посто-
ронних примесей на просеивателе 73, снабженном
магнитным уловителем, и загружают через промежу-
точный бункер 14 и автоматические весы 15 в произ-
водственные силосы 16.
В этой линии для получения хлеба хорошего
качества используется двухфазный способ приготов-
ления теста. Первая фаза - приготовление опары,
которую замешивают в тестомесильной машине 17.
В ней дозируют муку из производственного силоса
16, также отгемперированную воду и дрожжевую
эмульсию через дозировочную станцию 18. Для за-
меса опары используют 30. ..70 % муки. Из машины
/7 опару загружают в шестисекционный бункерный
агрегат 19.
После брожения в течение 3,0...4,5 ч опару из
агрегата 19 дозируют во вторую тестомесильную
машину с одновременной подачей оставшейся части
муки, воды и раствора соли.
Вторая фаза приготовления теста - брожение в
резервуаре 22 в течение 0,5... 1,0 ч. Готовое тесто
стекает в приемную воронку тестоделительной ма-
шины 23, предназначенной для получения порций
теста одинаковой массы. После обработки порций
теста в округлительной машине 24 образуются тес-
товые заготовки шарообразной формы, которые с
помощью маятникового укладчика 1 раскладываются
в ячейки люлек расстойного шкафа 2. Для предохра-
нения тестовых заготовок от возникновения при
выпечке трещин-разрывов верхней корки в момент
перекладки заготовок на под печи 25 их подвергают
надрезке или наколке.
Выпеченные изделия с помощью укладчика 26
загружают в контейнеры 27 и направляют через от-
рывочное отделение в экспедицию.
3. Технологические линии, предназна-
ченные для комбинированной переработки
сырья. Например, в линии производства шо-
колада какао-бобы подвергаются первичной
переработке с получением тертого какао, масла
и отделением посторонних примесей и наруж-
ной оболочки - какаовеллы. В качестве осталь-
ных рецептурных компонентов используют
сахар-песок, молоко и др. На последующих
стадиях технологического процесса выполня-
ются операции соединения и формования с
образованием многокомпонентной продукции -
шоколадных изделий. Аналогично при произ-
водстве халвы первичной переработке подвер-
гаются масличные семена подсолнечника или
кунжута, применяется также вторичное сырье:
сахар-песок, патока, пенообразователи и др.
На рис. 2.7 показана технологическая схема
линии производства плиточного шоколада и какао-
порошка. Какао-бобы выгружают из расходных бун-
керов / и передают конвейером 2 на взвешивание
авюматическими весами 3. Из бункера-питателя 4
бобы поступают в очистительно-сортировочную
машину 5 для очистки ог посторонних примесей и
сортировки по размерам. Отсортированные какао-
бобы выгружают из машины 5 через магнитный
уловитель и норией 6 подают в промежуточный
бункер 7 для передачи на термическую обработку в
обжарочный аппарат 9 питателем 8. Затем бобы но-
рией 10 загружаются в дробильно-очистительно-
сортировочную машину 77, в которой они дробятся
на кусочки размером 0,75 . .8 мм. В аспирационных
каналах машины 7 7 при помощи воздушного потока
от крупки отвеивается какаовелла Из машины 77
какаовелла поступает в циклон 72. после отделения
от воздуха она выгружается в мешки и отправляется
на утилизацию.
Какао-крупка пневмоконвейером подается че-
рез магнитный сепаратор в расходный бункер 73.
Какао-крупка последовательно измельчается на трех
мельницах: ударно-штифтовой 14, дисковой 75 и
шариковой 77. Готовая тертая масса собирается в
темперирующем сборнике 18, из которого может
перекачиваться насосом либо в сборник 35 для полу-
чения какао-масла и какао-порошка, либо в сборник
79 для производства шоколада.
Из сборника 35 тертое какао насосом перека-
чивается в дозирующую емкость 34, из которой по
трубопроводам с обратными клапанами поступает в
рабочие камеры 33 гидравлического пресса 32. Из
рабочих камер 33 масло выдавливается через фильт-
рующие элементы и трубопроводы в емкость 37 с
весами 36. По показаниям весов судят о количестве
отжатого масла и завершении цикла прессования.
Затем какао-масло перекачивают в фильтр 38, а из
него - в сборник 44.
В теплообменнике 26 порошок охлаждается до
16 °C. Затем он отделяется от воздуха в циклоне 25 и
шнеком 24 подается в классификатор 23, и после
отделения крупных частиц поступает в сборник 22,
затем в машину 27 для фасования в картонные ко-
робки, которые затем оклеиваются целлофаном в
машине 20. Из нее коробки с какао-порошком транс-
портируются в экспедицию для упаковки в торговую
тару и отправки потребителям.
Приготовление шоколадной массы начинается
с формирования рецептурной смеси в соответствии с
утвержденной рецептурой. Из темперирующих сбор-
ников жидкие компоненты (тертое какао, какао-
масло и др.) насосами подаются в дозаторы 47 рецеп-
турно-смесительной установки 52. В дозаторы 50
загружают сахар, сухое молоко и другие сыпучие
компоненты. Сахар подается в виде предварительно
приготовленной сахарной пудры с размерами частиц
не более 80 мкм. Для этого сахар-песок из расходно-
го бункера 48 транспортируется сначала конвейером
49 в питатель мельницы 51 для измельчения.
В результате смешивания компонентов одно-
образная масса температурой 35.. 45 °C с пластичной
тестообразной консистенцией непрерывно поступает
на конвейер 46 со стальной лентой и с помощью
шиберов распределяется на пятивалковые мельницы
45.
Измельченная масса ссыпается на непрерывно
движущийся конвейер 43 со стальной лентой, кото-
рый направляет продукт на разведение, гомогениза-
44
Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
Рис. 2.7. Схема технологической линии производства плиточного шоколада и какао-порошка
цию и конширование в ротационную конш-машину
41. Процессы разведения шоколадной массы какао-
маслом с добавлением поверхностно-активных ве-
ществ (ПАВ), гомогенизация и конширование шоко-
ладных масс осуществляются одновременно.
В процессе конширования происходит частич-
ное удаление влаги и равномерное распределение
масла между твердыми частицами, которые приобре-
тают округлую форму. При измельчении твердых
частиц увеличивается их поверхность и для поддер-
жания необходимой вязкости шоколадной массы
требуется периодически добавлять какао-масло при
помощи дозатора 42.
Приготовленная шоколадная масса перекачи-
вается на хранение в темперирующие сборники, а
затем в темперирующие машины 40, в которых тем-
пература постепенно снижается до 40...45 °C. Гото-
вую шоколадную массу, поступающую на формова-
ние, подвергают фильтрации для удаления посторон-
них примесей. Массу пропускают через металличе-
ские фильтры с диаметром ячеек 2 мм, установлен-
ные на входе в автоматическую машину 39 для тем-
перирования шоколадных масс.
Темперирование шоколадной массы в машине
39 протекает непрерывно в очень тонком слое при
весьма интенсивном перемешивании.
Отгемперированная шоколадная масса подает-
ся в агрегаг для формования плиточного шоколада,
состоящий из отливочной машины 57, цепного кон-
вейера с формами и охлаждающего аппарата 55.
Отливочная машина имеет две дозировочные голов-
ки, которые при помощи поршневых систем дозиру-
ют определенные порции шоколадной массы в жест-
кие формы. Заполненные формы поступают в зону
вибрационной обработки 56. Их принудительно пе-
ремещают цепным конвейером по поверхности по-
стоянных магнитов, совершающей вибрационные
колебания по вертикали с частотой 33 Гц. Формы с
шоколадной массой охлаждаются в аппарате 55 сна-
чала в течение 19 мин при температуре 6... 10 °C. По
окончании кристаллизации формы переворачивают
на 180 °C, под действием вибрации шоколадные
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
45
плитки выпадают из форм на пластинчатый конвей-
ер, а пустые формы возвращаются цепным конвейе-
ром к отливочной машине 57. В нижней части охла-
ждающего аппарата 55 находится зона акклиматиза-
ции, в которой шоколадные плитки, размещенные на
пластинчатом конвейере, продолжают выдерживать-
ся при температуре 11... 15 °C.
Шоколадные плитки выгружаются из аппарата
55 четырьмя ленточными питателями 54 и передают-
ся в заверточные машины 53.
Сохранение пищевой продукции обес-
печивается взаимосвязанными методами: за-
щитой наружной поверхности продукта от
воздействия внешней среды и консервировани-
ем внутренней структуры продукции. Это за-
висит от состава, строения и продолжительно-
сти установленного срока хранения продукта, а
также от характера воздействий, нарушающих
его сохранность.
Вредные воздействия окружающей среды
на наружную поверхность продукта могут вы-
звать, например: его высыхание или увлажне-
ние: разложение веществ под воздействием
кислорода или света: попадание посторонних
примесей в виде пыли, ароматических веществ,
микроорганизмов и др.; механические повреж-
дения деталей и другие дефекты.
Консервирование пищевых продуктов
проводят с целью замедления или прекращения
жизнедеятельности микроорганизмов, а также
инактивации ферментов, содержащихся в этих
продуктах. Задачи консервирования можно
решать, используя четыре основные группы
методов:
физические - тепловая обработка: пасте-
ризация и нагревом до 100 °C. стерилизация с
нагревом до 100 °C и выше, выпечка, обжарка
и сушка, а также охлаждение и замораживание;
химические - введение в состав продукта
химических консервантов: сахара, пищевой
соли, этилового спирта, уксусной, сорбиновой
или сернистой кислот;
микробиологические - молочнокислое и
спиртовое брожение, например, при производ-
стве кисломолочных продуктов, сыров, вина,
пива, кваса, заквашенных и моченых овощей и
плодов;
комбинированные - сочетание физиче-
ских. химических и микробиологических спо-
собов, например, копчение и вяление мясной и
рыбной продукции, квашение, вымачивание и
сушка плодоовощной продукции с применени-
ем соли или сахара и др.
Выбор способа упаковки готовой продук-
ции зависит от ее структурно-механических
свойств. Твердые сыпучие или штучные про-
дукты можно покрывать более прочной и стой-
кой к внешним воздействиям наружной обо-
лочкой (съедобной или несъедобной): шоко-
ладной или сахарной глазурью, хлебной короч-
кой, колбасной оболочкой и т.п. Затем такие
изделия поштучно или группами можно заво-
рачивать или фасовать в мягкие или жесткие
тароупаковочные материалы, изготовленные из
бумаги, картона или пластических масс.
Пищевые продукты, в составе которых
имеется жидкая фаза, следует упаковывать в
твердую или мягкую герметичную тару: стек-
лянные, жестяные, бумажные, пластмассовые
бутылки, банки или пакеты. Причем продукты,
подлежащие дополнительному хранению после
упаковки в жесткую стеклянную или жестяную
тару, необходимо подвергать длительной вы-
сокотемпературной обработке.
В целом линии пищевых производств, как
и любые технологические комплексы, облада-
ют известными эксплуатационными свойства-
ми, к которым, прежде всего, относятся функ-
циональные свойства, безопасность и безвред-
ность.
В системе машин технологические ли-
нии распределены по конкретным отраслевым
подвидам выпускаемой продукции. Например,
в системе машин для масложировой промыш-
ленности технологические линии разделены на
следующие группы:
для производства растительного масла,
гидротации и рафинации масел и жиров, пере-
этерификации жиров:
для выпуска маргариновой продукции,
майонеза, гидрогенизации;
для получения заменителей какао-масла;
для производства жирных кислот, мыла,
растительных белков.
В каждой из этих групп линии разделены
по номенклатуре выпускаемой продукции и
производительности. Например, различают
следующие виды линий выработки маргарино-
вой продукции:
непрерывного производства наливного
маргарина с оборудованием для изготовления
упаковочной тары из поливинилхлорида про-
изводительностью 5 т/ч;
выработки маргарина и кулинарных жи-
ров в пачках по 250 г производительностью
2,5 т/ч;
получения маргарина и кулинарных жи-
ров в крупноблочной фасовке производитель-
ностью 2.5 т/ч;
46
Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
выработки маргарина в крупноблочной
фасовке производительностью 5 т/ч;
изготовления фасованного в пачки по
250 г маргарина производительностью 5 т/ч.
2.2. РАСЧЕТ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
Под производительностью технологи-
ческой линии понимают способность ее пере-
рабатывать или выпускать то или иное количе-
ство продукции за определенный промежуток
времени. Различают три вида производитель-
ности: техническую G, теоретическую С7Т и
эксплуатационную G3.
Техническая производительность G
характеризует технические возможности ли-
нии, обусловленные технологическим процес-
сом и конструкцией оборудования. При опре-
делении технической производительности
принимают в расчет количество переработан-
ной или выпущенной продукции, длительность
непосредственной работы оборудования, а
также дополнительные затраты сырья и рабо-
чего времени, необходимые для успешного
функционирования оборудования. Дополни-
тельные затраты зависят от конструктивных
особенностей оборудования, они предусмотре-
ны технической документацией и учитывают
наличие регламентированных возвратных от-
ходов, дефектной продукции и потерь сырья, а
также необходимость дополнительных затрат
времени на выполнение вспомогательных опе-
раций и обслуживание оборудования.
Производительность технологической
линии рассчитывают на основании уравнений
материального баланса и принятых в каждой
отрасли эмпирических уравнений, связываю-
щих производительность G процесса по гото-
вому продукту с показателями состава исход-
ного сырья Н:
где текущая производительность по
готовому продукту в момент времени т ; Тр -
время основной работы линии; Тхр - время на
осуществление вспомогательных операций
(мойка оборудования, подготовка к работе,
холостой ход и т.п.); Тп - время простоя обору-
дования (неисправности, техническое обслу-
живание и т.п.).
При этом целевая функция управления -
обеспечение заданной производительности
линии
G = G{GhH,VhTv,TKV, Т„).
Средство управления - регулирование
производительности машин, снижение меж-
операционных запасов I], устранение просто-
ев оборудования и пр.
Техническая производительность - глав-
ный технико-экономический показатель про-
довольственного оборудования. По значению
этого показателя прежде всего решают вопрос,
можно ли использовать конкретную конструк-
цию в составе проектируемой линии. При соз-
дании новой линии значение технической про-
изводительности устанавливает заказчик, и она
указывается в исходных требованиях и техни-
ческом задании. По значению этой производи-
тельности при проектировании линии необхо-
димо рассчитать теоретическую производи-
тельность как линии в целом, так и составных
ее частей.
Теоретическую производительность
линии С7Т рассчитывают по количеству пере-
работанной или выпущенной продукции за
период непосредственной работы оборудова-
ния без учета дополнительных затрат сырья и
рабочего времени. Теоретическая производи-
тельность - важнейшая характеристика любой
конструкции. Именно по ней выполняют кине-
матический и тепловой расчеты, определяют
скорости движения рабочих органов, деталей,
хладо- и теплоносителей, вычисляют потреб-
ляемую мощность, нагрузки, рабочие объемы,
габаритные размеры и многие другие парамет-
ры оборудования. Поэтому в процессе разра-
ботки технологической линии важно проанали-
зировать взаимосвязь между заданной техниче-
ской производительностью и проектируемой
теоретической производительностью.
Эту взаимосвязь характеризуют коэффи-
циентом использования К* теоретической про-
изводительности:
G = GjK„. (2.1)
Теоретическую и техническую произво-
дительность можно представить в виде зависи-
мостей:
GT = Мп/Тп , (2.2)
РАСЧЕТ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
47
п
G = Ми-У Mi
(2.3)
где Л/н - номинальное (заданное) количество
продукции, подлежащее переработке или вы-
пуску; Тн - номинальная (заданная) продолжи-
тельность непосредственной работы линии;
и
i = М\ + М2++Мп - сумма регла-
/=1
ментированных потерь 1-го, 2-го, л-го ком-
понентов сырья и материалов, составляющих
т
суммарный состав продукции; Tj = Д +
У=1
+Г2 + ... + Тп - сумма дополнительных затрат
времени 1-го, 2-го, ..., щ-го этапов технологи-
ческого процесса, где выполняются дополни-
тельные операции и обслуживание оборудова-
ния.
Каждое отдельное значение потерь и до-
полнительных затрат времени можно выразить
в долях номинальных значений Мп и Тн ,
тогда формула (2.3) приобретает вид:
(2.4)
п
где ;= +ц2 +... + Ми - сумма долей
/=1
регламентированных потерь 1-го, 2-го, ..., л-го
компонентов сырья и материалов относительно
т
величины Л/н; ^т7 = Tj + Т2 + ••• + ~ СУМ"
У=1
ма долей дополнительных регламентирован-
ных затрат времени 1-го, 2-го, ..., щ-го этапов
технологического процесса относительно ве-
личины Тн.
Тогда согласно формуле (2.1) величину
Кц можно определить из выражения:
kh=g/g7= 1-
т
1+Еъ
т ( п у
1+Ёъ / ’-Ён/
7=1 ) к /=1 )
Соответственно формулу (2.2) можно
преобразовать в более удобный для анализа
вид:
GT = G
(2.6)
Из формулы (2.6) видно, что значения
теоретической и технической производитель-
ности совпадают только при одном условии -
полном отсутствии регламентированных по-
терь сырья и дополнительных затрат рабочего
времени. При увеличении этих потерь и затрат
для обеспечения заданной технической произ-
водительности необходимо проектировать ли-
нию с повышенной теоретической производи-
тельностью. Для этого требуется увеличить
интенсивность обработки продукта, скорости и
размеры рабочих органов, поверхность тепло-
обмена и др., а при постоянном значении тех-
нической производительности - габаритные
размеры и материалоемкость, потребление
электроэнергии, хладо- и теплоносителей, про-
изводственные площади и расход сырья. Таким
образом, снижаются практически все технико-
экономические показатели линии.
Напротив, если при проектировании уда-
ется свести к минимуму регламентированные
потери сырья и дополнительные затраты рабо-
чего времени, то коэффициент использования
теоретической производительности приближа-
ется к единице, а технико-экономические пока-
затели линии повышаются.
Можно выделить две основные группы
способов уменьшения регламентированных
потерь сырья и дополнительных затрат рабоче-
го времени: проектно-конструкторские и орга-
низационные.
Основные виды потерь сырья - это не-
полное извлечение полезных веществ при пер-
вичной его переработке, производственные
потери и дефектная продукция. При проекти-
ровании и конструировании линии необходимо
выбирать технологические операции и конст-
рукции, которые обеспечивают подготовку и
обработку сырья, необходимые для высокой
степени извлечения полезных компонентов,
например:
в линиях получения растительного масла
единственный способ, обеспечивающий прак-
тически полное извлечение масла, - это экс-
тракция;
в линиях производства сахара и крахмала
(2.5)
48
Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
для повышения выхода конечных продуктов
необходимо эффективно выполнять соответст-
венно операции резки свекловичной стружки и
измельчения кашки.
Важное условие снижения потерь сырья -
рациональное использование отходов перера-
ботки первичного сырья. Для сокращения по-
терь сырья, необходимо:
обеспечивать герметичность транспорт-
ных устройств для исключения распыливания
сыпучих или утечку жидких продуктов;
выбирать способы и конструкции для
формования изделий с исключением обрезков
и облоя;
выполнять конструкции с возможностью
самоочистки рабочих органов и емкостей;
исключать загрязнение отходов и смыв-
ных вод с целью их повторного использования
в производстве;
отработать режим пуска и останова ли-
нии, чтобы сократить количество дефектной
продукции при неустановившемся режиме
работы.
Организационные методы уменьшения
потерь сырья - это, например, сокращение
сроков переработки первичного сырья, увели-
чение продолжительности непрерывной рабо-
ты оборудования (включая круглосуточную
работу).
Дополнительные затраты рабочего вре-
мени связаны с выполнением внецикловых
операций на техническом оборудовании и вос-
становлением работоспособности неисправно-
го оборудования. Внецикловыми операциями
называются систематически повторяющиеся
операции обслуживания оборудования, обу-
словленные требованиями конструкции, ука-
занными в эксплуатационной документации, и
имеющие определенные циклы, не совпадаю-
щие с рабочими, технологическими и кинема-
тическими циклами оборудования.
Затраты времени на выполнение внецик-
ловых операций определяют при конструиро-
вании оборудования исходя из режима его ра-
боты:
для оборудования, работающего по сме-
нам, - из условий двухсменной работы его в
сутки;
для оборудования, работающего кругло-
суточно (сахарное, хлебопекарное, крахмало-
паточное и другое производство), - из условий
трехсменной его работы в сутки.
Например, производительность сепарато-
ра составляет 30 тыс.л/сут; сепаратор работает
22 ч/сут.; продолжительность выполнения вне-
цикловых операций 2 ч (разборка, мойка и
т.п.).
К внецикловым операциям относятся, на-
пример, замена рулонов упаковочных материа-
лов и рабочих органов при смене ассортимента
выпускаемой продукции, очистка рабочих ор-
ганов и емкостей и т.п.
При правильной ор1анизации обслужива-
ния линий такие операции, как подготовка
оборудования, исходного сырья, основных и
вспомогательных материалов, прогрев и выход
на режимные параметры, санитарная обработ-
ка, уборка и т.п., следует проводить до начала
и (или) после окончания смены (односменная
работа линии), в обеденный перерыв или меж-
ду сменами (двухсменная работа линии), в
зависимости от графика работы предприятия.
Только при круглосуточной (трехсменной)
работе линии эти операции относятся к вне-
цикловым.
Техническое обслуживание и ремонт
оборудования, связанные с нарушениями его
работоспособности, не относятся к регламен-
тированным простоям; это организационные
потери времени, и их учитывают при опреде-
лении эксплуатационной производительности.
Эксплуатационная производитель-
ность характеризуется отношением количества
качественной продукции к промежутку време-
ни, за который она переработана или выпущена
в реальных условиях эксплуатации с учетом
промежутков времени, затраченных непосред-
ственно на выпуск продукции, собственных
простоев линии (связанных с внецикловыми
операциями), а также простоев по организаци-
онным причинам, не зависящим от конструк-
ции оборудования.
Если руководствоваться соображениями,
изложенными выше при обсуждении теорети-
ческой и технической производительностей, то
эксплуатационная производительность
(2.7)
п
Ен(э)< =М(,)| +М(э)2+- + М(э)„ -
/=|
сумма долей эксплуатационных нерегламенти-
рованных потерь 1-го. 2-го, ..., n-го компонен-
тов сырья и материалов относительно величи-
РАСЧЕТ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
49
т
ны Л/н, — т(э)1 Т(э)2 + ••• + ~
7=1
сумма долей эксплуатационных нерегламенти-
рованных затрат времени 1-го, 2-го, ..., w-ro
этапов технологического процесса относитель-
но величины Тн.
Анализ формулы (2.7) показывает, что
при увеличении эксплуатационных потерь сы-
рья и затрат времени эксплуатационная произ-
водительность уменьшается относительно тех-
нической производительности. Соответственно
снижаются технико-экономические показатели
линии, обусловленные ее теоретической про-
изводительностью.
К причинам указанных эксплуатацион-
ных потерь и затрат, в частности, относятся:
несоответствие требованиям стандартов и
другой нормативно-технической документации
показателей качества исходного сырья, тары,
упаковочных и других материалов, параметров
электроэнергии, пара, воды, сжатого воздуха и
др.;
неэффективная организация эксплуата-
ции оборудования, несвоевременный ремонт,
отсутствие запасных частей, инструментов,
смазочных и других материалов;
отсутствие или низкая квалификация об-
служивающего персонала;
несвоевременная подача на производство
сырья, тары, упаковочных материалов и др.
Производительность, на которую тре-
буется рассчитать проектируемое оборудо-
вание,
где G - производительность массовая, кг/ч,
объемная, м3/ч, или штучная, шт/ч; QH - тре-
буемое количество годной продукции, кг, м3
или шт; _ суммарное количество де-
фектной продукции, возвратных отходов и
потерь сырья, кг, м3 или шт; Тн - нормирован-
ный период работы оборудования, ч; У^тн -
сумма регламентированных (на технологиче-
ское и техническое обслуживание) и нерегла-
ментированных (на восстановление работоспо-
собности оборудования и организационные
перерывы работы) простоев, ч.
Количество продукции обусловлено ее
объемом, который является исходным для оп-
ределения геометрических размеров рабочих
органов, составных частей и линии в целом,
объема рабочих и накопительных емкостей,
потребной площади производственных и
складских помещений и т.п.
Промежуток времени связан с длительно-
стью технологического цикла обработки про-
дукта, включающего продолжительность тех-
нологического и транспортного процессов, от
которых зависят скорости обработки и пере-
мещения продукта. По значениям этих скоро-
стей определяют кинематические характери-
стики привода и подвижных деталей машин, а
также размеры площади теплообменных по-
верхностей аппаратов.
Количество и скорость обработки про-
дукции в сочетании с ее структурно-
механическими свойствами (вязкостью, пре-
дельным напряжением сдвига и др.) влияют на
силовые и прочностные характеристики конст-
рукций, а также на материалоемкость и по-
требное количество энергоресурсов.
Специализация оборудования предусмат-
ривает использование для каждой технологи-
ческой операции отдельной машины, аппарата
или другого устройства. Основным условием
успешного функционирования отдельных ма-
шин в составе линии является равенство их
производительностей и производительности
линии в целом:
GJ1=Gl=G2=... = Gn.
где Ол,Сг1,С72,...С7А7 техническая производи-
тельность соответственно линии, 1-, 2-, ..., л-й
машины, входящих в состав линии.
В связи с разнообразием технологических
процессов, протекающих в различных машинах
и аппаратах линии, как правило,
Tj т5 ?2 7^, а величина Гл совпадает с
продолжительностью рабочего цикла лишь
ведущей машины или аппарата линии. Количе-
ство продукции Q, выпускаемой или перера-
батываемой отдельной машиной (или аппара-
том), пропорционально времени рабочего цик-
ла: чем продолжительнее рабочий цикл Г, тем
больше продукции Q должна перерабатывать
машина.
С повышением уровня специализации
оборудования увеличивается количество про-
дукции бобр • подвергшейся одновременной
обработке, так как
1-П
бобр ~ ’
i=\
50
Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
где п - число отдельных машин и аппаратов
линии; Qi - количество продукции, обрабаты-
ваемой Z-й машиной или аппаратом.
Аналогичная зависимость характерна для
общей продолжительности обработки продукта
в линии:
i=n
^обр = 2^7},
/=1
где Tt - продолжительность рабочего цикла в
Z-й машине или аппарате.
Кроме того, благодаря специализации
можно создавать сравнительно простые конст-
рукции отдельных машин и аппаратов.
Таким образом, в результате специализа-
ции технологического оборудования увеличи-
вается количество одновременно обрабатывае-
мой продукции, продолжительность этой обра-
ботки и появляются условия для создания не-
сложного специализированного оборудования.
Все это ведет к повышению производительно-
сти линии и механизации трудоемких ручных
операций.
Однако специализация - это экстенсив-
ный метод создания технологических линий
путем использования дополнительных матери-
альных и трудовых ресурсов, а не в результате
технического прогресса. При подобных мето-
дах, как правило, увеличивается число основ-
ных и вспомогательных машин и аппаратов,
требуются значительные производственные
площади, возрастает численность обслужи-
вающего персонала. Специализация - необхо-
димая стадия первоначального создания техно-
логических линий.
Интеграция оборудования предусматри-
вает одновременное выполнение большого
числа составляющих операций многими рабо-
чими органами на одной машине или аппарате.
Интеграция достигается применением ком-
плексных рабочих органов, увеличением коли-
чества одновременно работающих органов на
одной позиции и рабочих позиций на одном
агрегате, вследствие чего можно в значитель-
ной мере повысить производительность маши-
ны и съем продукции.
Интеграция должна базироваться на тща-
тельном функциональном анализе, четкой
формулировке целей и задач функционирова-
ния оборудования, входящего в состав линии.
Это позволит обоснованно сгруппировать тех-
нологические операции для создания агрегатов,
установок, модулей, станций, участков и дру-
гих подсистем линии. Таким образом, возни-
кают предпосылки для конструирования линии
на базе интенсивных методов путем сокраще-
ния числа отдельных машин и аппаратов, а
также транспортирующих, регулирующих и
других вспомогательных устройств. При этом
можно будет сократить продолжительность
обработки продукции и ее количество, подле-
жащее единовременной обработке в потоке,
при сохранении производительности линии.
2.3. КОМПЛЕКСНАЯ ТЕХНИЧЕСКАЯ
ДИАГНОСТИКА
Повышение требований к качеству пище-
вых продуктов, необходимость быстрейшей
модернизации и создания отечественных ма-
шин и технологических линий обусловливают
необходимость разработки методов и средств
диагностики технического состояния машин и
технологических линий в период их эксплуата-
ции, а также при создании опытных образцов.
Последнее позволяет при необходимости внести
соответствующие коррективы в конструкцию.
Процессы диагностирования технологи-
ческой линии складываются из операций опре-
деления технического состояния оборудования
(объекта) в данный момент времени (собствен-
но диагностика), в будущем (прогнозирование)
и в прошлом (ретроспенция). Техническое ди-
агностирование состоит из трех элементов:
выявление исправности объекта, определение
периодичности диагностирования, прогноз
технического состояния в будущем. Алгоритм
комплексной технической диагностики вклю-
чает:
изучение технологического процесса, реа-
лизуемого в диагностируемом оборудовании;
определение технологических парамет-
ров, характеризующих качество работы обору-
дования и составление режимной карты техно-
логических параметров;
изучение общего принципа действия обо-
рудования;
определение конструктивных параметров,
характеризующих качество работы оборудова-
ния, и составление режимной карты конструк-
тивных параметров;
составление режимной карты работы
оборудования с указанием параметров, кон-
троль которых желателен или необходим в
процессе работы оборудования;
условное расчленение оборудования на
основные узлы (двигатель, передаточный ме-
ханизм, рабочий орган и т.п.);
КОМПЛЕКСНАЯ ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА
51
определение характерных точек контроля
технологических и конструктивных парамет-
ров оборудования и его основных частей;
выбор методов контроля технологических
и конструктивных параметров;
выбор предпочтительного метода техни-
ческой диагностики оборудования;
выбор необходимых для проведения тех-
нической диагностики приборов, инструментов
и материалов;
составление необходимой для регистра-
ции результатов технической диагностики до-
кументации (формы, ведомости, журналы и
др-);
уточнение полученной схемы техниче-
ской диагностики после выполнения работ,
предшествующих ее проведению;
составление структурно-следственных
моделей диагностируемого оборудования при-
менительно к основным частям оборудования
(как правило, рабочим органам).
На ЭВМ апробирован алгоритм диагно-
стики на основе следующей математической
модели:
Q = HA>HBy(DTy’ (2.8)
где Q - коэффициент, оценивающий состоя-
ние оборудования; Aj - безразмерный коэффи-
циент весомости ьй машины в структуре тех-
нологической линии; ^^Aj = I; Вд - безраз-
мерный коэффициент весомости у-го узла (де-
тали) в структуре машины; Вд = 1; DTtj-
текущее значение параметра, характеризующе-
го состояниеу-го узла /-й машины; D3g - за-
данное значение параметра; \D3g- допусти-
мое отклонение параметра.
Значения величин D3g и AD3g вводят-
ся с учетом требований нормативно-
технической документации, величины DTg
периодически получают от датчиков, контро-
лирующих состояние диагностируемых пара-
метров. Коэффициенты Д и Вд алгоритми-
чески определяют на основе матричной ин-
формационной модели, для которой исходные
данные получают с помощью метода эксперт-
ных оценок.
При нормальном состоянии оборудования
технологической линии выполняется условие
0<()<1 (оптимальный режим при Q = 0), а
при нарушении режима работы Q < 1 . На ос-
нове модели (2.8) разработан алгоритм автома-
тического диагностирования состояния обору-
дования молочной промышленности, основан-
ный на периодическом анализе коэффициента
Ху =|(£>7]7 -£>3у)/дяз|. (2.9)
В соответствии с выражением (2.9) расчет
осуществляют на ЭВМ. в которую через уст-
ройства связи с объектом периодически посту-
пает информация о текущих значениях пара-
метров. В случае нарушений {Хд > в работе
технологической линии ЭВМ выдает сообще-
ние оператору о характере неисправности, ре-
комендации по ее устранению и (или) автома-
тически отрабатывает управляющее воздейст-
вие, направленное на стабилизацию парамет-
ров или отключение машины. Если нарушений
нет (О < Хд < 1 j, то управляющее воздействие
в контуре управления отсутствует.
Техническое состояние измельчающего
оборудования в мясной промышленности мож-
но оценить на мобильном диагностическом
комплексе (ДМК), построенном на базе спе-
циализированного персонального компьютера
и включающего устройство связи с объектом и
комплекс первичных преобразователей. Диаг-
ностика эксплуатационных процессов, напри-
мер в куттерах, выполнена по температурным
параметрам к вращающему моменту на рабо-
чих органах.
Для этой цели разработан и изготовлен испы-
тательный стенд, работающий с программно-
аппаратными средствами ДМК.
В процессе испытания измеряется температура
наружных колец испытуемых подшипников, а также
сила тока в обмотке электродвигателя привода, по-
зволяющая оценить изменение момента на валу при
нагружении. Основной признак разрушения рабочих
деталей подшипников - появление повышенных
уровней шума и вибрации. Это явление используется
для автоматического отключения привода.
Анализ результатов исследований показал, что
одним из диагностических сигналов может быть сила
тока в обмотке двигателя привода узла, поскольку
под грузом происходит ее изменение. Установлена
зависимость между осевой нагрузкой и силой тока в
обмотках двигателя, которую можно при первом
приближении считать пропорциональной моменту
трения в подшипниковых опорах при условии, что
частота вращения вала изменяется незначительно.
Выявлено влияние на точность измерения
внешних воздействующих параметров - температуры
окружающей среды, колебаний напряжения в сети,
изменений вязкости масла и пр. Исследования пока-
52
Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
зали целесообразность дооснащения ДМК пер-
вичными преобразователями температуры и виб-
раций, поскольку эти сигналы являются опреде-
ляющими для диагностики состояния опор каче-
ния.
Изменение теплового режима опор качения
приводит к изменению их жесткости, а следова-
тельно, динамических характеристик. Это оказы-
вает влияние на процесс измельчения сырья. Из-
вестно, что при наложении вибраций существенно
уменьшаются затраты энергии на измельчение и
улучшается качество продукта. Вместе с тем, по-
явление в механической системе автоколебатель-
ного процесса и даже резонанса приводит к преж-
девременному выходу из строя опор качения.
Кроме того, в динамику процесса измельчения
вносит вклад и дисбаланс ножевого блока, по-
скольку требуется его тщательная динамическая
балансировка. Известны случаи превышения са-
нитарных норм уровня шума на 20...30 дБ, что
создает для обслуживающего персонала диском-
фортные условия работы и естественно резко
снижает производительность оборудования.
Дальнейшее развитие диагностики машин
для пищевой промышленности целесообразно
связать с созданием сертификационно-диагно-
стических центров, мобильных диагностиче-
ских комплексов, а также с оснащением нового
технологического оборудования встроенными
системами оперативной диагностики.
2.4. ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГ НОСТИКА
В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕДРИЯТИЕМ
Современные методы управления про-
изводством. Автоматизированные информа-
ционные системы (АИС) управления контро-
лируют основные производственные (тех-
нологические) и учетные (бухгалтерские, фи-
нансовые, налоговые) процессы, происходящие
как в отдельных цехах, участках, подразде-
лениях, так и на предприятии в целом.
Оперативное управление производством
должно учитывать техническое состояние ма-
шин и оборудования, что определяет техноло-
гическую эффективность, время простоев из-за
поломок, рациональное обслуживание и экс-
плуатацию, материальный и моральный износ
машин и т.п. Следует отметить, что в значи-
тельной мере эффективность работы оборудо-
вания зависит от технического состояния элек-
тродвигателей.
Информационные потоки о состоянии
технологического оборудования целесообраз-
но хранить и обрабатывать в единой АИС
предприятия, которую называют также АСУП
или корпоративной [4-6]. Автоматизирован-
ные рабочие места (АРМ) основных подразде-
лений контролируются с помощью алгоритмов
обработки соответствующей текущей инфор-
мации на ЭВМ. Программное обеспечение
должно включать достаточный набор модулей -
подпрограмм (индивидуальных и стан-
дартных), обеспечивающих решение не только
поставленных задач, но и новых, возникающих
в процессе модернизации производства, без
переустановки программных средств.
Развитые АИС могут применять более
сложные программы - системы поддержки
принятия решений стратегического характера,
позволяющие получать долговременные про-
гнозы на основе обработки не только местной,
но и региональной информации.
Общий подход к технической диагно-
стике. Первая техническая ступень АИС
включает в себя первичные измерительные
преобразователи, блоки первичной обработки
измерительной информации и блоки статисти-
ческой обработки информации.
Ко второй технической ступени АИС от-
носятся центральный диспетчерский пункт, в
который поступает обработанная измеритель-
ная информация от первичных блоков, телеиз-
мерительные системы, передающие измери-
тельную информацию по каналам связи, и мо-
бильные измерительные системы, используе-
мые в тех случаях, когда применение телеиз-
мерительных систем нецелесообразно по эко-
номическим критериям или ненадежно.
Третья техническая ступень АИС вклю-
чает центральную электронно-вычислительную
машину (ЦЭВМ), обслуживающую админист-
ративно-управленческий аппарат, который
принимает стратегические решения на основе
полученной с помощью АИС информации.
На первой ступени АИС для обеспечения
функционального дублирования предусматри-
ваются различные виды контроля. Например,
одна группа датчиков предназначена для полу-
чения измерительных сигналов, поступающих
в устройства автоматического регулирования
технологических агрегатов; сигналы основных
технологических параметров сравниваются с
заданными значениями. Другая группа датчи-
ков предназначена для получения виброаку-
стических сигналов, которые анализируются с
ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЕМ
53
помощью блоков обработки информации. Тре-
тья группа датчиков предназначена для полу-
чения измерительных сигналов основных тех-
нологических параметров и анализа качества
измерений повышения надежности принятия
решений.
Обработанная измерительная информа-
ция с помощью каналов связи, например, по
локальной вычислительной сети, передается на
вторую ступень АИС и подвергается контролю
по интегральным показателям по заданной
программе. При этом вычисляются параметры
диагностических моделей технологических
объектов и оценивается состояние объектов по
этим моделям.
Обработанная информация по каналам
связи поступает на третью ступень АИС, где с
помощью блоков обработки информации опре-
деляются технико-экономические показатели
работы цехов и предприятия в целом.
Развитие представлений об интеллек-
туальных датчиках. Традиционное представ-
ление о датчике состоит в комплексе чувстви-
тельного элемента и первичного преобразова-
теля измеряемой физической величины (тем-
пературы, давления, влажности, белизны муки,
массового расхода, электрических параметров)
в удобную для потребителя форму (перемеще-
ние, силу тока, кодовый сигнал).
Интеллектуальный датчик - полная
измерительная система, включающая в себя
первичный и промежуточный преобразователи,
а также формирователь передаваемого в сис-
тему унифицированного сигнала (трансмит-
тер), принимаемого и обрабатываемого ЭВМ.
Британский стандарт (BS-7986) развил и
утвердил представления качества измерений на
основе самоаттестующихся датчиков (СД) -
СД-подход [7]. Отправной точкой для
СД-подхода является желание использовать
заключенную в трансмиттере вычислительную
мощность для обеспечения дополнительной
информации об измерении и диагностике. Но
речь идет не просто о диагностике самих
трансмиттеров, которые сегодня должны быть
достаточно надежными, а о первичном преоб-
разователе и о процессе в целом.
Сейчас все больше производителей реа-
лизуют диагностику в виде связанных с кон-
кретным устройством кодов ошибок или дос-
товерных разрядов. Они представляют опреде-
ленную ценность для технического обслужи-
вания, но не нацелены на непосредственную
интерпретацию при принятии про-
изводственных решений, так как появление
сигнала ошибки не означает, можно или нельзя
по-прежнему пользоваться результатами изме-
рения и вести технологический процесс. Кроме
того, современное предприятие может генери-
ровать сотни кодов ошибок, и ЦЭВМ в такой
ситуации должна оценить все события и вы-
дать приемлемое решение
СД-подход различав понятия диагности-
ки и качества измерений и предполагает, что
поставщики могут еще больше помочь своим
заказчикам, предоставив им оценки качества
измерения.
Ниже приведена последовательность по-
лучения информации с момента возникновения
симптома неисправности в датчике до ответно-
го действия системы управления:
1) симптомы неисправности;
2) сведения о характере неисправностей
датчика;
3) диагностика датчика;
4) данные о влиянии неисправности на
измерения;
5) данные измерения, выраженные в
общих терминах, не зависящих от датчика и
применения;
6) перечень требований по управлению
производством;
7) сообщение о пригодности измерения;
8) знание аварийных стратегий;
9) реакция системы управления.
Частью необходимых знаний на каждой
стадии владеет разработчик датчика (1-5), а
частью (5-9) - специалист-эксплуатационщик.
Знание вида неисправностей датчика требуется
для проведения его диагностики, а знание
влияния неисправностей - для определения
качества измерений. Очевидно, что и те, и дру-
гие знания являются достоянием разработчика.
Если удастся описать качество измерений в
общем, то опыт создателей датчика станет дос-
тупным в реальном времени и в легко усваи-
ваемой форме.
С производственной стороны при задан-
ных требованиях к работе установки, линии и
качеству измерений можно будет оценивать
пригодность данного измерения, и в случае
невозможности его использования получать
стратегии реагирования на данную аварийную
ситуацию.
Если выдаются только диагностические
коды ошибок, оператор должен попытаться
самостоятельно проинтерпретировать качество
измерений. Однако, для того чтобы предоста-
54
Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
вить бит, характеризующий хорошую или
плохую работу датчика, его разработчик дол-
жен делать свои предположения относительно
требований производства.
Если сохранятся сегодняшние тенденции,
то ни один из существующих подходов нельзя
будет считать разумным. С одной стороны,
возрастающая сложность датчиков и тенденция
к концентрации производственного персонала
на основных видах деятельности вызывает
сомнение в том, что он сможет самостоятельно
интерпретировать диагностику датчиков. С
другой, - если датчик указывает, можно ли
пользоваться его показаниями или нет, без
знания области применения, то это противоре-
чит императиву максимизации производствен-
ной полезности.
Согласованный стандарт необходим для
описания качества измерения в общем виде, и
это то, что предлагает СД-подход.
Метрика для описания качества измере-
ний, предлагаемая в рамках СД-подхода, со-
держит для каждого измерения три параметра:
1) подтвержденное измеренное значе-
ние (ПИЗ), которое соответствует традицион-
ному измерению, на место которого в случае
неисправности подставляется наилучшая оцен-
ка истинного значения измеряемой величины.
Обеспечение наилучшей оценки максимизиру-
ет пригодность измерения, но требует от по-
ставщиков датчиков предоставления алгорит-
мов коррекции;
2) подтвержденная неопределенность
(ПН) - неопределенность измерений или ин-
тервал погрешности ПИЗ. Неопределенность
основана на существующих метрологических
стандартах, и ее значение вычисляется с уче-
том всех источников погрешности, влияющих
на текущие измерения. Таким образом, ПН
предоставляет полезную информацию о каче-
стве измерений как при возникновении сбоя,
так и при его отсутствии. Диагностика сама по
себе проводится в достаточно редких (жела-
тельно!) случаях возникновения неисправно-
стей и описывает лишь природу не-
исправности, а не влияние ее на результирую-
щее качество измерений.
3) статус измеренного значения (ИЗ-
статус) - дискретный параметр, указываю-
щий, каким образом было вычислено ПИЗ.
Поскольку ПИЗ должно выдаваться постоянно,
даже при наличии неисправности, важно про-
информировать пользователя о том, при каких
обстоятельствах оно было сгенерировано. ИЗ-
статус указывает одну из возможностей на
основе создаваемого стандарта BS-7986: на-
дежное (от разных приборов), надежное (об-
щее), четкое, расплывчатое, ослепляю-
щее.
Для целей технического обслуживания
датчика выдается также единый общий пара-
метр статус устройства, характеризующий
уровень технического обслуживания, требуе-
мого в настоящий момент датчиком (не требу-
ется, низкий, высокий, критический), а также
специфическая для данного прибора детальная
диагностическая информация.
Диагностика машин. Целью диагности-
рования является выявление дефектов по оцен-
кам системы и принятие решения для их уст-
ранения. Общая методология технической ди-
агностики машин и механизмов, разработанная
в ИМАШе РАН [8], нашла применение в пи-
щевой промышленности [9, 10].
Различают методики диагностирования
для малых и больших дефектов. При малых
дефектах неисправное состояние может быть
представлено по известным алгоритмам в виде
линейной комбинации базовых состояний,
которые соответствуют только базовым дефек-
там. Безразмерные постоянные коэффициенты
этой суммы, представленные в виде вектора,
характеризуют вклад базовых состояний при
их суммарном действии.
В случае больших дефектов в многомер-
ной области дефектов с определенной плотно-
стью фиксируется дискретное множество то-
чек, которым ставятся в соответствие векторы
р, являющиеся кодом измеряемой физической
величины. Эти векторы для каждой точки оп-
ределяются из эксперимента. В памяти ЭВМ
создается эталонная сетка - дискретное мно-
жество эталонных дискретных состояний.
Обычно в пространстве дефектов уста-
навливают из опыта области, соответствую-
щие различным состояниям системы. Однако в
этой сфере начинают все шире применять ме-
тоды экспертных систем, которые предпола-
гают наличие не только развитых баз данных,
но и сложных алгоритмов диагностики и про-
гнозирования.
Так, для технического диагностирования
оборудования мукомольных заводов применен
виброакустический метод, так как вибрацион-
ные и акустические процессы, вызванные ра-
ботой машин (рассевов, сепараторов и др.),
несут большой объем информации об их тех-
ническом состоянии. В вибросигнале проявля-
ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЕМ
55
ется характер движения колеблющихся элемен-
тов машин при наличии погрешностей изготов-
ления подшипников, зубчатых передач и др.
К недостаткам этого метода следует от-
нести сложность и высокую стоимость аппара-
турного обеспечения. При этом требуются
датчики вибрации, измеритель вибрации, шу-
момер с микрофоном и октавные фильтры для
спектрального анализа колебаний и шума.
Этот способ дает хорошие результаты при
стендовых испытаниях отдельных образцов
машин на этапах их разработки. Провести ди-
агностику вальцового станка виброакустиче-
ским методом в реальных эксплуатационных
условиях не представляется возможным, по-
скольку в сигнале будут проявляться вибрации
от соседних вальцовых станков, перекрытий и
других машин.
Операции обучения и накопления ин-
формации об эталонных и базисных состояни-
ях объекта, соответствующих нормированным
дефектам, удобно производить не только на
промышленном образце или макете, но и на
математической модели. В этой связи стано-
вится важной задача разработки моделей. В
них определенные диагностируемые дефекты
и неисправности должны быть включены в
вектор параметров а. При этом желательно
иметь простые модели с небольшим числом
степеней свободы, а также возможность полу-
чения частных решений аналитическими ме-
тодами, которые можно использовать как тес-
ты при обработке программ для ЭВМ.
Программа диагностики асинхронных ЭД -
основного привода машин и механизмов на базе
персонального компьютера с использованием изме-
рительных датчиков, подключенных к нему через
встроенный аналого-цифровой преобразователь [II]
рекомендуется для АИС в качестве стандартного
модуля, хотя может найти и самостоятельное при-
менение в системе планово-предуп-редительного ре-
монта электрооборудования.
Для эффективной и безопасной эксплуатации
двигателей важно иметь информацию о превышении
момента нагрузки со стороны приводимой в движе-
ние машины, своевременно получить об этом преду-
предительные сигналы (звуковые и/или визуальные),
а в аварийной ситуации - автоматически принять
решение: отключить механическую нагрузку или
силовую электросеть.
Необходимо также получить предупреждение
о наличии механической неисправности, представ-
ляющей пожаро- или взрывоопасность, и учесть это в
плане текущего ремонта. В программе может быть
предусмотрен алгоритм спектрального анализа изме-
нения нагрузки во времени. По спектру колебаний
потребляемой электродвигателем силы тока можно
делать выводы о ненормальной работе как двигателя,
так и приводимого им механизма.
Рис. 2.8. Принцип действия устройства диагностики технического состояния вальцового станка
56
Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
Эта программа успешно используется на мно-
гих комбинатах хлебопродуктов с помощью устрой-
ства диагностики технического состояния вальцово-
го станка (рис. 2.8).
Ежедневный мониторинг текущего состояния,
архивирование аварийных ситуаций (даты, времени
нарушения) с последующим анализом - основа для
прогнозирования деградации технического состоя-
ния. Для оценки эффективности работы и остаточно-
го ресурса двигателя целесообразно постоянно в
течение всего срока службы контролировать число
его включений/выключений, простои, время работы
7} в запредельных по нагрузке 77у режимах, дату ре-
монта, перечень неисправностей.
При выборе технических средств (процессора,
датчиков, информационных каналов, интерфейса
связи, языка программирования) необходимо учиты-
вать требования надежности передачи и обработки
информации, возможность интегрирования в корпо-
ративные информационные системы, разумную
стоимость.
Программа диагностики электродвигателя на-
писана на алгоритмическом языке Си.
Информация о его нагрузке с помощью элек-
троизмерительных клещей или трансформаторов
тока через аналого-цифровой преобразователь вво-
дится в персональный компьютер типа IBM PC 486 и
выше.
При запуске программы диагностики электро-
двигателя на экран дисплея выводится ряд вопросов,
на которые должен ответить оператор: ввести дату
начала эксплуатации, заводской номер; значения сил
токов: холостого 7ХХ и номинального 7Н по паспорту
для данного электродвигателя, постоянные коэффи-
циенты а, р, у для вычислений, например, параметр
а служит для расчета огибающей и т.п.
При повторном запуске программы (в этот же
день или в любой другой) на эти вопросы оператор
уже может не отвечать, программа запоминает ранее
введенные ответы на вопросы.
Алгоритмическая схема (рис. 2.9) содержит
блок / ввода начальных данных, блок 2 выводит на
экран табл. 1, блок 3 производит опрос текущих
параметров через АЦП и вводит значения мгновен-
ных токов х(/) в дискретной форме в персональ-
ный компьютер, в котором производятся необходи-
мые преобразования и вычисления.
Блок 4 преобразует значения л(//) на ниспа-
дающих и отрицательных ветвях кривой в значения
огибающей процесса /, по методу амплитудного
детектора:
/, =л(/,)при л(/,
/, =а/,_| при л(/,)< ,
где а - положительное число, немного меньшее
единицы, взято из блока /, /, = /0 + т/; т - шаг;
/ = 1, 2,... - текущее измерение.
В блоке 5 хранится система ограничений для
расчета функций A, U, согласно которым произ-
водят вычисления параметров текущего контроля.
В блоке 6 вычисляются функции:
W счета включения ЭД.
N, = I при /, > Р/ХХ и < Р/ХХ ;
Л', =0 при I, >р/„ и /,_| >р/хх ;
С счета длительности пусковой перегрузки:
U, = 1 при 7, > у/н , U, = 0 при 7, < у/н ;
Г счета длительности технологической пере-
грузки:
Г, =1 при /н < /, <yl„,
Г, = 0 при lt < /н или /, > у/н .
Число включений ЭД в сеть
Q=N,_y+N,.
Блок 6 также определяет число j произошед-
ших пусковых перегрузок и п число «-измерений за
времяу-й перегрузки, а также аналогичные числа к и
т для технологических перегрузок.
Пусковая перегрузка электродвигателя
йп = nj~\Tj^ + П/Tj;
Z7, =S((/, -/н)//н)/«,
Г7 =тЩ, (/ = 1,2,...,«),
где 77, - перегрузка; 7}- длительностьу-й перегрузки;
7, - сила тока в момент /-го измерения АЦП; т - вре-
мя между измерениями АЦП.
Технологическая перегрузка (?тп электродви-
гателя по силе тока равна
2тп = Пк-\Тк-\ + ПкТк ’
Пк -/„)//„)/«>.
Тк = т£Ц, (/ = 1,2,...,т),
где к - число технологических перегрузок.
Суммарные значения соответственно пусковой
и технологической перегрузок за время эксплуатации
электродвигателя
Время пусковой перегрузки 7} при включении,
а также в процессе работы (технологической пере-
грузки) достаточно хорошо характеризует возмож-
ные неисправности технологического оборудования,
приводимого в движение электродвигателем.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЕМ
57
Рис. 2.9. Алгоритм функционирования программного модуля для дна! нос гики элек1родвигагелей
Блок 7 оценивает опасность перегрузок, в бло-
ке 8 реализуется команда управления.
Блок 9 суммирует все происшедшие перегруз-
ки, величина /7; то же достаточно хорошо характери-
зует износ электродвигателя, возникающий при пус-
ке в результате повышенного нагрева или механиче-
ских воздействий.
После диалога оператора с компьютером бло-
ки 10-12 выводят на экран сначала табл. 1 текущею
кош роля состояния электродвигателей станков,
которая будет присутствовать на экране дисплея всю
рабочую смену и которая содержит следующие па-
раметры:
I) порядковый номер датчика;
2) помер электроде hi ателя;
3) дату начала per истрации;
4) число включений;
5) пусковую перегрузку;
6) суммарную пусковую перегрузку;
7) технологическую нере1рузку;
8) суммарную технологическую перегрузку;
9) время и дату последней перегрузки;
10) общее время работы электродвигателя без
аварий.
Все перечисленные параметры сохраняются в
рабочих файлах весь срок эксплуатации электродви-
гателя с возможностью их вывода на принтер для пе-
чати. Каждый столбец табл. 1 содержит один и тот
же параметр для разных двигателей.
58
Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
В девятый и десятый столбцы табл. 1
внесены время и дата последней пусковой пе-
регрузки. В одиннадцатом столбце показано
общее время работы электродвигателя за время
безаварийной эксплуатации.
При появлении перегрузки /7; включается
предупредительная сигнализация компьютера:
включается сигнализация и на экране монитора
в табл. 1 мигает красным цветом строка, соот-
ветствующая перегруженному состоянию дан-
ного электродвигателя.
Длительная технологическая пере-
грузка сигнализирует о нарушении технологи-
ческого процесса (износе рабочих органов,
чрезмерной подаче продукта, нарушении на-
стройки машины). Длительные простои харак-
теризуют нарушения в организации труда. В
этих случаях решение принимает оператор.
В табл. 1 значения параметров 6, 8 и 11
суммируются для данного электродвигателя в
течение всего периода его эксплуатации.
В табл. 2 учета вышедших из строя элек-
тродвигателей станков фиксируются следую-
щие параметры: заводской номер, дата уста-
новки, суммарное число включений в электро-
сеть, суммарные пусковая и технологическая
перегрузки на момент выхода из строя, дата
замены, общее время работы электродвигателя.
При замене электродвигателя данные
табл. 1 переписываются в табл. 2, а в соот-
ветствующую строку табл. 1 заносятся данные
нового электродвигателя (если необходимо).
Техническая диагностика на зернопе-
рерабатывающих предприятиях. Рассмотрим
в качестве примера кинематическую схему
вальцового станка, приведенную на рис. 2.10, и
методику выявления неисправностей и дефек-
тов, связанных с несоосностью бочек вальцов и
И/Х цапф, несовершенством поверхности бочек
(волнистости, шероховатости), неравномерно-
Рис. 2.10. Кинематическая схема
вальцового стайка
стью расхода подачи продукта, нестабильно-
стью свойств продукта, состоянием рифлей.
Модель вальцового станка для теорети-
ческого описания характера диагностируемо-
го сигнала. Приняв за обобщенную координату
угол поворота двигателя <рь запишем диффе-
ренциальное уравнение движения:
^np^wl/^ “ У(фь<°1) d^/dt = Ш|,
где /пр - приведенный момент инерции систе-
мы; Q - обобщенная сила; - угловая ско-
рость вала двигателя.
Тогда приведенный момент инерции
системы /пр рассчитываем по следующей
формуле:
= Л + /г'г2 + /з'з2^2;
i2=D2ID\\ /3=22/*!,
где Ц - момент инерции ротора электродвига-
теля и шкива диаметром D\\ /2 - момент инер-
ции быстровращающегося вальца, шкива D2 и
зубчатого колеса Zj; /3 - момент инерции мед-
ленновращающегося вальца и колеса z2.
Моментами инерции других звеньев пре-
небрегаем.
Обобщенная сила Q содержит несколько
компонентов: вращающий момент вала элек-
тродвигателя Л/дв; момент сопротивления А/1р,
вызванный трением в опорах, и моменты сил
взаимодействия вальцов с продуктом
А^мв •
Q = А/Дв “ ^тр “ ^б.в. + ^м.в. •
Механическая характеристика асинхрон-
ного электродвигателя на линейном участке
принимает вид:
^дв ~ К\ (®х.х “ W1 )’
где К\ - крутизна кривой в номинальном ре-
жиме; <охх - уточненное значение угловой
скорости на режиме холостого хода.
Приведенный момент сопротивления А/1р
зависит от коэффициента трения скольжения f,
реакций в подшипниках, диаметра цапфы
вальцов Dq, распорного усилия /?, оказываемо-
го на вальцы со стороны продукта, и может
быть рассчитан по следующей формуле:
ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЕМ
59
М1р = А/х.х+Л£)о/2/2_7(1 + 6’1)>
(2.Ю)
где Мк х - приведенный момент трения на ре-
жимах холостого хода при R = 0.
Приведенные моменты сил, действующих
на вальцы со стороны продукта:
^б.в = Хб.в’
(2.Н)
^м.в = ^^/2*2 h Хм.в?
где Хб.в и Хм.в ~ коэффициенты трения продук-
та соответственно о быстро- и медленновра-
щающиеся вальцы.
При измельчении продукта нестабиль-
ность зазора может быть обусловлена многими
факторами: параллельной или непараллельной
несоосностями бочек вальцов и их цапф, несо-
вершенством поверхности бочек, зазорами в
подшипниках и зубчатых зацеплениях, упру-
гими деформациями пружин рычагов, неурав-
новешенностью вальцов и др.
Аппроксимируем распорные силы между
вальцами линейной зависимостью:
/? = Ло(1-/С2ДЙ/ЛЬ), (2.12)
где К2 - крутизна характеристики; А7 - меж-
вальцовый зазор.
Запишем в развернутой форме с учетом
уравнений (2.10)—(2.12) момент нагрузки на
электродвигатель:
+ М. в — Мм в = Мхх +
+R0(l-K2\b/R0)D/2iilx
х(хб.в -Хм.в'з-1 + Dd/ Р/(1 + /3-1)) =
= M-K3&b(t).
(2.13)
Как видно из выражения (2.13), момент
нагрузки находится в линейной зависимости от
изменения межвальцового зазора Д6.
Выражение для мощности N, потребляе-
мой электродвигателем при постоянной на-
грузке Мп = const, будет следующим:
Д ~ Л/ДВСО| = ^/2^max^max СО8фТ|,
где (/тах- амплитуда напряжения в фазе; /тах-
амплитуда силы тока в фазе; Т| - коэффициент
преобразования электрической энергии в ме-
ханическую (КПД); ф - фазовый угол сдвига
между напряжением и силой тока.
Полагаем, что изменение нагрузки проис-
ходит медленно по сравнению с периодом силы
тока фазы; £/тах , т| и cos ф остаются практиче-
ски в пределах 20% номинальных значений.
Угловая скорость ротора 0)| изменяется столь
медленно, что /np^wl/dt = 0, Л/дв = Л/н и
огибающая сила тока Л. (/) фазы пропорцио-
нальна изменению межвальцового зазора:
Лпах (= .
При этом функция ДЛ(^) и нахо-
дятся в противофазе.
Более строгое рассмотрение этого вопро-
са требует разработки динамической модели,
т.е. составления и решения дифференциально-
го уравнения, описывающего переходные про-
цессы в системе:
Inpd2<pJdt2 = K^mxx
(2.14)
-Мн + Л^зДЛ(ф1,б7ф|/^,г).
Решение уравнения (2.14) численными
методами не накладывает существенных огра-
ничений на характер функции
Дй(ф1,б/ф|/б/^,^) и находится по единому
алгоритму, например, методом Рунге-Кутта.
Запишем дифференциальное уравнение
движения системы в случае параллельной не-
соосности бочки быстровращающегося вальца
и его цапф:
7ПР d\\/dt2 = VL{-K\dty\lclt + $ СО8(Ф1 / ),
где ос = Адсох х — Мх х — ^Хб.в-
-Хм.в'З 1 + D0/Df[\ + i3 ')); P=X2d/2/7*x
х(хб.в - Хм.в'З ’ + + ‘3 ')) £2 ;
82 - эксцентриситет.
ПЭВМ быстро производит расчеты час-
тотных спектров угловой скорости для локали-
зации дефектов машин и отработки алгоритмов
диагностики.
Практическая диагностика технического
состояния и технологической эффективности
вальцовых станков на основе статистическо-
60
Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
го и спектрального анализа трендов тока при-
вода двигателя. Разрушение зерна и промежу-
точных продуктов происходит в межвальцовом
зазоре за счет сжатия и сдвига. Требуемое со-
отношение этих воздействий для правильного
ведения процесса обеспечивается величиной
этого зазора, соотношением скоростей вальцов,
состоянием их рабочей поверхности и др. Не-
стабильность межвальцового зазора отражает-
ся на технологической эффективности, при
уменьшении зазора происходит спрессовыва-
ние мучнистых частиц и перетирание оболо-
чек, при увеличении - недомол, что увеличива-
ет энергоемкость процесса.
Диагностика предназначена для выявле-
ния нестабильности процесса измельчения,
установления их причин и принятия решения
по их исключению.
В реальных условиях межвальцовый за-
зор непрерывно изменяется по сложному за-
кону под действием одной или нескольких
периодических причин с частотой 2...20 Гц.
Соответственно изменяются силы, действую-
щие на продукт, и деформации. Распорные
силы у исправного вальцового станка дости-
гают (1 ...2)-104 Н, касательные составляют
10... 100 % от распорных сил. Силы, испыты-
ваемые вальцами при измельчении продукта в
нестабильной рабочей зоне, передаются через
элементы кинематической схемы на ротор
электродвигателя, мгновенная мощность и
мгновенная сила тока будут соответственно
изменяться.
Для решения задачи диагностики вальцо-
вого станка на основе анализа кривой мгно-
венной силы тока приводного электродвигате-
ля необходимо: получить и обработать инфор-
мацию; выбрать и обосновать интегральный
показатель количественной оценки технологи-
ческой исправности вальцового станка; уста-
новить нормативные значения интегрального
показателя; выбрать способ диагностики при-
чин технологической неисправности станка
(идентификация); провести производственную
проверку и эксплуатацию аппаратуры, анализ
технико-экономических показателей и дать
перспективу применения.
Расчеты и эксперименты показали, что
огибающая сила тока в фазе привода электро-
двигателя пропорциональна изменению меж-
вальцового зазора и находится с ним в проти-
вофазе.
Получение информации об изменении
мгновенного тока статора простое. В цепях
статора всех электродвигателей вальцовых
станков предусмотрены измерительные транс-
форматоры тока, во вторичную цепь которых
через соответствующие согласующие устрой-
ства можно включить измеритель, получаю-
щий сигнал, пропорциональный мгновенной
силе тока. Этот сигнал подается на аналого-
цифровой преобразователь ЭВМ. Процессор
выбирает амплитудные значения сигнала / и
формирует огибающую кривую, которая со-
держит информацию для диагностики вальцо-
вого станка по всем признакам группы причин,
вызывающих быстроизменяющиеся процессы
в рабочей зоне.
Компьютер также дает следующие стати-
стические оценки: /ср - среднее значение, о -
среднеквадратическое отклонение и
К = о//Ср ~ коэффициент вариации (%) - ин-
тегральная оценка технического состояния
вальцового станка. Нормативные значения на
режиме холостого хода /Сх х = 1% , в рабочем
режиме - 5% установлены по результатам
обследования тысячи технологически исправ-
ных станков.
В случаях, превышающих нормативные
значения, производится диагностика причин
повышенной нестабильности процесса по оп-
ределенному алгоритму. Сначала получаем
требуемые частотные спектры огибающей
процесса в определенном частотном диапазо-
не. Эти спектры позволяют оператору по час-
тотным вкладам идентифицировать десять
групп дефектных состояний, которым соответ-
ствуют определенные неисправности, которые
установлены из производственного опыта и в
результате лабораторных и теоретических ис-
следований. На этой основе создано устройст-
во диагностики технического состояния валь-
цового станка - УДТСВС.
Оператор должен всю информацию запи-
сать в журнал, отразив время, номер станка,
значение коэффициента вариации, вид дефек-
та. Рекомендации по результатам диагностики
дают главный технолог, главный механик и
главный энергетик.
Для устранения рутинных и трудоемких
интеллектуальных усилий по диагностике де-
фектов разработана специальная программа
для ЭВМ. которая при вводе данных частотно-
го спектра выдает полный документ по со-
стоянию станка и возможным дефектам.
При необходимости диагностировать
парк вальцовых станков с учетом быстрого
реагирования на аварийные ситуации целесо-
ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЕМ
61
образна разработка автоматизированных сис-
тем сбора и обработки информации с приняти-
ем как быстрых тактических управленческих
решений, так и стратегических решений, осно-
ванных на анализе тенденций развития дефек-
тов. прогнозирования возможных отказов и
принятия профилактических мер. В настоящее
время по этому принципу разработана, опро-
бована и рекомендована комбинатам хлебо-
продуктов автоматизированная система диаг-
ностики двух секций вальцового цеха со стан-
ками А1 -БЗН (рис. 2.11).
Эксплуатация системы диагностики по-
зволит увеличить выход муки высоких сортов
на 1...2 % за счет снижения измельчения обо-
лочек до крупности муки. Устранение причин
нестабильности зазора снижает чрезмерные
нагрузки на зубья шестерен, тягу, рычаг и экс-
центриковый вал. У неисправных вальцовых
станков высокая вероятность поломок зубьев
шестерен, обрыва тяги и проушины рычага, за
которую шарнирно крепится тяга. Такие по-
ломки приводят к авариям и снижают взрыво-
пожаробезопасность предприятия.
Особенности диагностики машин при
различных характерах диагностируемых сиг-
налов. Анализ механизма процесса измельче-
ния продукта в вальцовом станке позволяет
классифицировать причины, вызывающие от-
клонения режима от нормативного, на две
группы: медленнодействующие в течение дли-
тельного времени (минуты, часы, дни) и дейст-
вующие кратковременно (доли секунды) пе-
риодически.
Первую группу причин можно иденти-
фицировать с помощью амперметра, включен-
ного в цепь статора электродвигателя привода
станка. Действительно, изменение подачи или
свойств продукта вызовет изменение сил в
рабочей зоне, что приведет к соответствую-
щему изменению силы тока статора электро-
двигателя. На мукомольных заводах этот спо-
соб диагностики широко применяется: с по-
мощью амперметров контролируется загрузка
вальцовой линии. Диагностируемый сигнал
представляет собой действующую силу тока
привода как медленноизменяющуюся функ-
цию времени.
Вторую группу причин с помощью ам-
перметра или ваттметра выявить нельзя ввиду
быстротечности процессов и большой инерци-
онности приборов. В реальных условиях мгно-
венный межвальцовый зазор является функци-
ей угла поворота, положения вдоль образую-
Модуль
Дифференциальное
Рис. 2.11. Стационарная авюматизированная
система диагностики
щей вальца и, в случае внешних помех, време-
ни, т.е. непрерывно изменяется по сложному
закону под действием одной или нескольких
причин. Соответственно изменяются силы,
действующие на продукт, и деформации.
Силы, испытываемые вальцами при из-
мельчении продукта в нестабильной рабочей
зоне, передаются через элементы кинематиче-
ской схемы на ротор электродвигателя, мгно-
венная мощность N (/) и мгновенная сила
тока /(/) будут изменяться.
Некоторые из этих причин могут быть
идентифицированы путем спектрального ана-
лиза мгновенного значения силы тока привода.
Для выявления неисправностей подшипнико-
вых узлов, дефектов станины, появления тре-
щин в рабочих органах требуются другие ин-
формационные каналы - вибрационно-акусти-
ческие характеристики деталей, рентгеноско-
пия, термоскопия и другие методы неразру-
шающего контроля. Для целей диагностики
при наличии информационных каналов в виде
колебательных процессов универсальным ин-
струментом является спектральный анализ.
Конечно, при этом нужно обладать информа-
цией о влиянии неисправностей на характери-
стики спектров и алгоритмами идентификации.
При распределении функций между сту-
пенями АИС в качестве основного выбран
критерий надежности работы АИС. Учитывая
уязвимость каналов связи, большие потоки
информации, например, связанные со спек-
тральным анализом, целесообразно обрабаты-
вать на низших ступенях АИС, а по каналам
связи передавать интегральные показатели.
Между ступенями функции АИС распре-
делены следующим образом:
первая ступень - получение измеритель-
ных сигналов, соответствующих значениям
62
Глава 3. ОСОБЕННОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ
основных технологических параметров; кван-
тование измерительных сигналов по времени;
аналого-цифровое преобразование сигналов;
контроль технологических параметров по за-
данным значениям; оценка математического
ожидания и дисперсии; обнаружение трендов
некоторых технологических параметров, воз-
никающих при изменениях режимов работы
объектов; спектральный анализ колебательных
процессов; кодирование;
вторая ступень - вычисление интеграль-
ных показателей; контроль по интегральным
значениям параметров; вычисление парамет-
ров математических моделей технологических
объектов и анализ их состояния по этим моде-
лям;
третья ступень - определение технико-
экономических показателей; представление
информации о техническом состоянии объек-
тов и его прогноз; выработка решений.
Из приведенного распределения функций
АИС между ее ступенями видно, что контроль
и диагностика технологических объектов осу-
ществляются на всех ступенях, что повышает
благодаря функциональной избыточности на-
дежность АИС. В случае выхода из строя уст-
ройств контроля и диагностики какой-либо
ступени АИС, диагностика технологических
объектов будет продолжаться, но с меньшей
эффективностью. Расчет надежности диагно-
стики дан в работе [12].
Следует отметить, что задачи принятия
решения с неполной информацией об объекте
требуют привлечения методов нечеткой логи-
ки управления с использованием нейронных
сетей или комбинации нейросетевого и нечет-
кого методов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Протопопов И.И. Алгоритм диагно-
стики состояния оборудования молочной
промышленности. ВСБ. Надежность и техни-
ческая диагностика оборудования перерабаты-
вающих отраслей АПК / Под ред. Т.В. Чи-
жиковой. М.: Информагротех, 1990. 83 с.
2. Дальская Т.А., Маркус Л.И., Чижи-
кова Т.В. Надежность и диагностика оборудо-
вания мясной промышленности И Надежность
и техническое оборудование перерабатываю-
щих отраслей АПК И Под ред. Т.В. Чижиковой
М.: 1995. 17-21 с.
3. Машины и аппараты пищевых произ-
водств. Кн. 1/ Под ред. В.А. Панфилова. М.:
Высш. шк. 2001. 703 с.
4. Карпов В.И. и др. Новые информаци-
онные технологии // Хлебопродукты. 1997. № 4.
5. Бобровский С. В поисках идеальной
модели // PC Week/RE. 1997. № 45.
6. Анзимиров Л. Trace Mode как инст-
румент комплексной автоматизации И PC
Week/RE. 1998. № 8.
7. Dr. Manus Henry. Self-validating sensors //
Control Engineering Europe. June/July 2001.
P. 32-39.
8. Глухарев K.K., Фролов K.B. К теории
диагностирования машин и механизмов // Ма-
шиноведение. 1977. №3.
9. Кацнельсон М.У. и др. Техническое
диагностирование оборудования мукомольных
заводов // Колос. 1984.
10. Денисов В.И. Диагностика оборудо-
вания на предприятиях // Комбикормовая про-
мышленность. 1998. №2.
11. Александров Е.Г. и др. Програм-
мный модуль для диагностики электродвигате-
лей АИС предприятия // Датчики и системы.
2002. № 1.С. 28-30.
12. Россеев Н.Н. Анализ надежности ие-
рархической структуры информационно-
управляющей системы газотранспортного
предприятия // Датчики и системы. 2002. № 1.
С. 25-28.
Глава 3
ОСОБЕННОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ
КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ
ОБОРУДОВАНИЯ
3.1. РЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТОВ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Процесс переработки сырья и полуфаб-
рикатов заключается во взаимодействии рабо-
чих органов оборудования и пищевых продук-
тов. От действия внешних сил со стороны ра-
бочих органов на продукт в последнем разви-
ваются деформации и возникает течение его в
занимаемых объемах оборудования. Характер-
ной особенностью многих реальных материа-
лов, включая пищевые продукты, является
особенность их проявлять в зависимости от
условий деформаций многообразие свойств: в
одних случаях они могут вести себя как упру-
гие тела, а в других - как пластинчатые или
вязкие жидкости.
РЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТОВ
63
Эта неоднозначность поведения реальных
продуктов приобретает особое значение при
переработке их на оборудовании, в необходи-
мости комплексного учета влияния геометри-
ческих, кинематических, динамических пара-
метров оборудования и конкретных реологиче-
ских свойств продуктов.
3.1.1. СВОЙСТВА СЫПУЧИХ ПРОДУКТОВ
И ВЯЗКОТЕКУЧИХ СРЕД
Сыпучие материалы по структуре не
могут быть отнесены ни к твердым телам, ни к
жидким. Однако способностью сыпучих сред
принимать форму сосуда и возможность дви-
жения потоком делают их похожими на жид-
кость. Вместе с тем, каждая отдельная частица
обладает свойствами твердого тела.
Сыпучий продукт в зависимости от диа-
метра d частиц можно классифицировать на
следующие группы: пылевидный (d < 0,05 мм);
порошкообразный (0,5 мм < d < 2 мм); круп-
нозернистый (2 мм < d < 10 мм); кусковой
(d> 10 мм).
Гранулометрический состав характери-
зует дисперсный состав сыпучего продукта,
показывающий какую долю или процент во всей
анализируемой массе составляют частицы с
определенным диаметром. Учитывая, что диа-
метр частицы всей пробы сыпучего продукта
представляет случайную величину, как правило,
гранулометрический состав описывают методом
математической статистики. С этой целью стро-
ят гистограммы распределения случайных зна-
чений диаметров. Имеются попытки аналитиче-
ского описания гранулометрического состава.
Наибольшее распространение получила форму-
ла Розина-Раммлера:
F(J) = 100U-ехр
de
где суммарная масса частиц диаметром
_ среднее значение эквивалентного
диаметра частиц z-й группы; de - диаметр час-
тиц, при котором масса всех частиц крупнее de
составляет 36,8 %, а меньше de - 63,2 %; а ~
параметр, характеризующий однородность час-
тиц по размерам.
Гигроскопичность - это способность
сыпучего продукта сорбировать влагу из воз-
духа.
Насыпная плотность и удельный объем
характеризуют соответственно массу единицы
объема и объем единицы массы свободно на-
сыпанного сыпучего продукта. Эти объемные
характеристики сыпучих продуктов зависят от
влажности, гранулометрического состава, ус-
ловий изготовления и транспортирования и т.д.
Порозность параметр сыпучего про-
дукта, определяемый соотношением
е = И/Ио,
где К|- свободный объем между частицами;
Eq - объем сыпучего продукта.
Порозность зависит от гранулометриче-
ского состава частиц, способа их укладки.
Сыпучесть - способность продукта рав-
номерно истекать через отверстие в стенке
сосуда. Эта способность зависит от угла есте-
ственного откоса, угла обрушения, слеживае-
мости.
Под углом естественного откоса при-
нимают угол, образованный между основанием
насыпанной на горизонтальную поверхность
конусной горки порошка и образующей кону-
са; как правило, этот угол лежит в пределах
30...50 °. При самопроизвольном обрушении
слоя сыпучего продукта через отверстие в го-
ризонтальной плоскости можно оценить угол
обрушения, образующийся между горизон-
тальной плоскостью и образующей конуса.
Адгезия частиц - это слипание разно-
родных твердых или жидких тел, соприкасаю-
щихся своими поверхностями (сыпучего про-
дукта со стенками рабочих каналов оборудова-
ния).
Когезия (сцепление) - образование еди-
ного твердого тела вследствие притяжения
частиц.
Агрегация одного и того же твердого тела
или жидкости - это способность частиц сыпу-
чего продукта образовывать самопроизвольно
укрупненные частицы.
Слеживаемость ~ взаимодействие меж-
ду частицами, приводящее к образованию сво-
дов после определенного по времени нахожде-
ния в рабочих объемах оборудования.
Предельное и начальное сопротивление
сдвигу характеризуют деформацию сыпучего
продукта, сопровождающуюся относительным
скольжением частиц (сдвигом). При этом
скольжение не начинается до тех пор, пока не
преодолено предельное напряжение сдвига Тц .
Величину Тц можно определить из закона
Кулона:
64 Глава 3. ОСОБЕННОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ
т0 = Л + /ст.
где А - коэффициент, характеризующий сте-
пень сцепления частиц; f - коэффициент внут-
реннего трения частиц; и- нормальное на-
пряжение в плоскости скольжения.
Значение ст=О соответствует Тд = А = т„ -
начальное сопротивление сдвигу. Для идеально
сыпучих материалов Xq=x/7=0 при <J = 0.
Коэффициент внутреннего трения - это сред-
нестатистический коэффициент взаимного
трения частиц. При расчетах технологического
оборудования применяют коэффициент внеш-
него трения /вн частиц сыпучего материала о
стенки рабочих поверхностей.
Свойства вязкотекучих сред. Как из-
вестно, классическая гидродинамика опирается
на модель невязкой жидкости (отсутствие тре-
ния между частицами жидкости). Такая жид-
кость способна совершать сдвиговые деформа-
ции без рассеяния энергии. Для математиче-
ского описания движения невязкой жидкости
служат уравнения Эйлера. Однако модель не-
вязкой жидкости не может объяснить многих
проблем, связанных с расчетом сопротивления
при обтекании тел. С середины XIX века стала
разрабатываться теория вязкости жидкости,
основанная на модели Ньютона, базирующейся
на линейной связи напряжения сдвига между
слоями жидкости и скоростями деформации
сдвига. Модель вязкой жидкости также столк-
нулась с серьезными трудностями описания
поведения реальных материалов.
3.1.2. ДЕФОРМАЦИЯ И ТЕЧЕНИЕ ВЯЗКИХ СРЕД
Если рассматривать перемещение от-
дельных частей различных тел относительно
друг друга, то под действием сил они дефор-
мируются: упруго, если деформация под дей-
ствием определенной силы полностью исчезает
после прекращения действия силы; пластично,
если наблюдается остаточная деформация по-
сле прекращения действия силы; текут, если
деформация непрерывно возрастает без преде-
ла под действием постоянной силы. Поскольку
реологические явления представляют собой
механические процессы, в реологии следует
применять основные законы механики, кото-
рые справедливы для движения тела как цело-
го. Обозначим вектор силы F, а вектор уско-
рения а ,тогда
= (3.1)
где у F - результирующая всех сил, дейст-
вующих на тела; т - масса; ад - ускорение
центра масс.
Положим, чю У Л/ - Fr есть ре-
зультирующий момен! но отношению к неко-
торой неподвижной ючки. причем г- плечо
силы относительно этой точки. Тогда
Л/ = fradm, (3.2)
где интегрирование в правой части формулы
распространяется на все частицы; а - ускоре-
ние частицы с массой сЬгг. г- расстояние
прямой, по которой направлено ускорение от
неподвижной точки.
Если моменты вычисляются относитель-
но центра масс тела, то уравнение (3.2) спра-
ведливо и тогда, когда центр масс не покоится,
а в этом случае является ускорением относи-
тельно движущейся системы координат, начало
которой совпадает с центром масс и движется с
ним все время.
Уравнения (3.1) и (3.2) могут быть напи-
саны в компонентах в следующей форме:
'^lFx=a0xm- ^Fy=a6vm'~
^F, = а^т-, (3.3)
Е^=Е(/>Х“М =
(3.4)
Здесь и далее (х,у, z) означает, что
уравнение представляет собой одно из трех
уравнений системы, описывающей данные
явления, причем индексы при членах уравне-
ния подлежат круговой замене z на х; х на
у и у на z . Например, следующее уравне-
ние, получаемое из уравнения (3.4) путем ука-
занной замены, имеет вид:
Ew*=Е(Fzy ~ Fyz)=J Ы - ayz)dm-
Если будем рассматривать только одну
частицу или материальную точку, то уравнения
сведутся к одному уравнению, выражающему
первый закон Ньютона:
РЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТОВ
65
= та.
Уравнения (3.1) и (3.2) дают соотношение
между кинематическими величинами а или
га и динамическими величинами F, М . Эти
величины связаны между собой посредством
массы. Пусть V - объем тела и dV - объем
частицы тела, тогда плотность вещества
Вводя массу т из (3.5) в уравнения (3.1)
и (3.2), свяжем кинематические и динамиче-
ские величины при помощи плотности р, ко-
торая является единственным параметром ве-
щества, входящим в уравнения механики.
В реологии основные уравнения связы-
вают кинематическую величину - деформацию
с динамической величиной - напряжением при
помощи параметров, которые являются кон-
стантами вещества, описывающими реологиче-
ское поведение различных веществ.
Реологическая кинематика. Кинемати-
ческое состояние тела определяется положени-
ем и скоростью всех его частиц в каждый мо-
мент времени. Положение частицы математи-
чески, описывается ее координатами x,y,z,
скорость ее выражается через компоненты:
х = — (3*6)
Следовательно, чтобы определить кине-
матическое состояние в момент t, необходимо
задать шесть величин. А так как тело имеет
бесконечное число частиц, то может показать-
ся, что необходимо задать шестикратное бес-
конечное число величин. Однако в этом случае
частицы тела будут совершенно независимы и
не будут составлять тело. Частицы образуют
одно тело только тогда, когда другие соседние
частицы в некоторый момент времени t оста-
ются соседними и в моменты времени, сле-
дующие за t. Следовательно, если взять две
частицы с координатами x,y,z и x + dx,
у + dy, z + dz , то скорости этих частиц будут
отличаться по значению и по направлению
лишь незначительно (на бесконечно малую
величину), т.е. скорости частиц являются не-
прерывными функциями координат.
Рассмотрим малое приращение времени
AZ. За этот промежуток времени каждая час-
тица изменит свое положение на некоторую
величину и, называемую смещением. Тогда
скорость
Aw du
v= lim — = —. (3.7)
д,->0 AZ dt
Если скорость является непрерывной
функцией координат, ю смещение также
должно быть непрерывной функцией этих ко-
ординат. Поэтому при переходе от данной час-
тицы к соседней компоненты их смещений
будут отличаться на величины (для координа-
ты х):
. OUX , ^“у OU
dux =——dx + —— dy + —-dz . (3.8)
x dx dy dz
Аналогичное выражение можно записать для
смещений по осям у и z . Переходя от одной
частицы к другой в некотором направлении 5 ,
имеем
dx = dscos(ds,x). (3.9)
Поэтому уравнение (3.8) мы можем напи-
сать также в виде
dux дих , 1 \
—- =—-cos(tZs,x) +
ds дх
дих z , ч дих z , ч
+ -^-cos [ds, у) + -^-cos [ds, z). (3.10)
Из уравнения (3.10) следует, что —— ,
дх
дих дих dux
-----, ---- являются компонентами —— . С
ду dz------ds
du dUy du
другой стороны, ——, ------, —— являются
ds ds ds
компонентами — . Таким образом,
дих дих дих
дх ду dz
du _ ди у диу диу
ds дх ду dz
duz duz duz
дх dy dz
(З.И)
3 — 8434
66 Глава 3. ОСОБЕННОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ
Эта величина называется тензором. В то
же время тензор не является точным выраже-
нием деформации и не служит реологической
кинематической величиной. Путем несложных
преобразований этот тензор можно привести к
тензору деформаций:
(3-12)
Рис. 3.1. Поверхностные силы,
действующие на частицу
где линейные деформации;
^xy’^xz^zy угловые деформа-
ции.
Аналогично можно определить тензор скоро-
стей деформации:
дх . . дх ду ( ч
где ехх “ Т” ’ еху ~ — + •
дх ду дх
(3.14)
Тензор скоростей деформации (3.13) яв-
ляется основной реологической кинематиче-
ской величиной. Величины 8^ и т.д. называ-
ют компонентами тензора деформаций.
Реологическая динамика. Выделим
мысленно внутри тела частицу, ограниченную
некоторой замкнутой поверхностью. На эту
частицу через ее поверхность действует все
остальное тело, а частица согласно третьему
закону Ньютона действует таким же образом
на остальную часть тела. Рассмотрим элемент
воображаемой граничной поверхности площа-
дью , ориентированной в пространстве
направлением п внешней нормали к рассмат-
риваемому элементу поверхности (рис. 3.1).
Пусть АРГ1 поверхностная сила, с кото-
рой остальная часть тела действует на частицу
через элемент поверхности . Тогда
..
lim ---L = о - напряжение поверхностной
A.S' >0 AS
силы Рп, векторная величина, зависящая от
ориентации площадки элемента поверхности.
Напряжение поверхностной силы Рп в общем
случае составляет некоторый угол с нормалью
п и может быть разложено на две компоненты
Рп/7 и Pnt (нормальную и касательную).
Рассмотрим элементарную частицу,
имеющую форму прямоугольного параллеле-
пипеда (рис. 3.2). Поскольку ориентация пло-
щадки может быть произвольной, на первый
взгляд может показаться, что существует бес-
конечное количество способов задания напря-
женного состояния в точке поверхности. Одна-
ко напряженное состояние в любой точке тела
можно полностью определить, если задать
компоненты векторов напряжений на трех
произвольных взаимно перпендикулярных
площадках, проходящих через точку А.
РЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТОВ
67
Тогда для полного описания напряженно-
го состояния необходимо знать всего девять
компонентов напряжения - по три для каждого
вектора. Для удобства каждую компоненту
можно описать двумя индексами: i - указывает
направление нормали к площадке; j - направ-
ление действия силы; например: сила
действует в направлении оси z на площадке,
которая перпендикулярна оси у. Следователь-
но, по аналогии с уравнениями (3.10) и (3.12),
существует тензор напряжений с девятью
компонентами:
где , иуу, Gzz - нормальные напряжения;
и т.д. - касательные напряжения.
Таким образом, тензор напряжений Gy
выражает реологическую динамическую вели-
чину.
3.1.3. РЕОЛОГИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ
РАЗЛИЧНЫХ СРЕД
Для измерения реологических кинемати-
ческих величин существует тензор деформаций
, для динамических величин тензор напря-
жений Gy , следовательно, можно утверждать
по аналогии с уравнениями (3.1) и (3.2), что
реологическое поведение вещества определя-
ется реологическим уравнением, связывающим
тензоры &у и Gy :
7?(еу,СТу) = 0, (3.16)
где R - реологическая функция.
Реологическое поведение вещества зави-
сит не только от деформаций и напряжений, но
и от скоростей деформаций и возникновения
напряжений. Первый случай хорошо известен.
В потоке вязкой жидкости напряжения зависят
от скоростей деформаций: чем больше относи-
тельная скорость частиц жидкости, тем больше
вязкое сопротивление.
Уравнение (3.15) имеет место для всех
веществ, но различным веществам соответст-
вует разная форма уравнения. Простейшими
формами уравнения (3.16) будут
б,7=0, (3.17)
ИЛИ
(3.18)
Уравнение (3.18) свидетельствует о том,
что в теле нет никаких внутренних напряже-
ний, т.е. частицы тела не взаимодействуют
друг с другом, они независимы и не образуют
тела.
Уравнение (3.17) означает, что в теле от-
сутствуют деформации при любых действую-
щих на тело силах. Такое тело можно назвать
абсолютно твердым. В первом приближении
много веществ можно рассматривать как абсо-
лютно твердые, однако в природе нет абсолют-
но твердых тел. Твердое тело является матема-
тической идеализацией.
Необходимо отметить, что все реологиче-
ские уравнения состояния также описывают
только идеальные тела, которые являются бо-
лее или менее хорошими приближениями к
реальным, но не существуют в действительно-
сти.
Тело, описываемое уравнением (3.17), на-
зывают евклидовым телом, так как геометрия
Евклида основана на предположении о сущест-
вовании абсолютно твердых тел. Уравнение
(3.17) содержит в себе все, что реология может
сказать о евклидовом теле. Выразив его в ком-
понентах, получим:
дх л дх ду ~ х
т- = 0, Т' + 77 = 0; <3-19)
дх ду дх
где (x,T,z) означает аналогичную запись
уравнений по координатам х, у, z.
После интегрирования шести дифферен-
циальных уравнений можно получить общее
движение евклидова тела.
Паскалевская жидкость. В природе не
существует тел, которые можно описать урав-
нением (3.18), противоположным уравнению
абсолютно твердого тела. В реальных вещест-
вах, которые можно считать противоположны-
ми абсолютному твердому телу, частицы
должны двигаться относительно друг друга с
бесконечной легкостью. Но если давление со
всех сторон одинаковое, то это вещество
должно оказывать сопротивление. Для таких
тел тензор напряжений имеет вид
3*
68 Глава 3. ОСОБЕННОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ
О О
-р о
О -р
где р - гидростатическое давление.
Если предположить, что гидростатиче-
ское давление не изменяет объема такого тела,
то вещество является несжимаемым, его можно
назвать паскалевской жидкостью. В гидро-
динамике такую жидкость принято называть
идеальной.
Евклидово тело и паскалевая жидкость
являются крайними возможными случаями.
Все реальные тела занимают промежуточное
положение между этими пределами.
По закону Паскаля давление, приложен-
ное к жидкости в любой точке, передается ко
всем другим точкам жидкости одинаково. Од-
нако этот закон не является справедливым для
любой реальной жидкости.
Вязкая жидкость. Вязкость жидкости
впервые рассмотрел Ньютон, который положил
сопротивление жидкости при течении, назы-
ваемое «недостатком скользкости», пропор-
циональным относительной скорости частиц.
Для изучения поведения вязкой жидкости
рассмотрим случай, когда пространство между
двумя широкими параллельными пластинами 1
и 2, отстоящими друг от друга на малом рас-
стоянии уо, заполнено вязкой жидкостью
(рис. 3.3). К верхней пластине приложим силу
сдвига F. Двигаясь, она будет увлекать за со-
бой прилегающий слой вязкой жидкости, и это
движение будет передаваться ниже лежащим
слоям.
В слоях жидкости возникает вязкое тор-
можение, которое Ньютон предложил опреде-
лять по следующей зависимости:
/7777777777777777777777777777л
Рис. 33. Схема течения продукта
х
Ъгс=ПЬ (3.20)
где Ту* - касательное напряжение, возникаю-
щее от сдвига слоев жидкости; Г| - динамиче-
ская вязкость жидкости; у = du/dy - скорость
сдвига, т.е. изменение скорости слоя жидкости
по координате у.
Жидкость, у ко юрой динамическая вяз-
кость г| постоянна, и ее поведение подчиняет-
ся закономерности (3.20) называют ньютонов-
ской жидкостью.
Как следует из уравнения (3.20), у вязкой
жидкости напряжение пропорционально ско-
рости деформации, а не деформации как у
твердых тел. Уравнение (3.20) является реоло-
гическим уравнением ньютоновской модели
сред и соответствует случаю одномерного
сдвига. В общем виде реологическое уравнение
ньютоновской модели сред можно записать в
виде:
——рЬу + 2т|8^. (3.21)
где Ту - компоненты касательных напряжений,
см. формулу 3.15; 8^- компоненты скоростей
деформаций, см. формулу 3.13; р - гидроста-
тическое давление; 8^ - это параметр, прини-
мающий значения 0 (если i * J) и 1 (если
i = j )•
Как правило, для решения большинства
практических задач реологические уравнения
состояния записываются для одномерного
сдвигового течения, т.е. как это показано для
случая ньютоновской среды уравнениям (3.20).
Динамическая вязкость для ньютонов-
ских жидкостей не зависит от напряжения и
скорости сдвига. Многие реальные продукты
проявляют отклонения от ньютоновского пове-
дения. Для этих сред зависимость между на-
пряжением сдвига т и скоростью сдвига у не
является линейной функцией, как для ньюто-
новской модели сред.
Очень удобным и наглядным способом
производить оценку реологического состояния
продукта (что эквивалентно установлению
реологической модели) является графическое
построение зависимостей напряжения сдвига
от скорости сдвига при одномерном течении -
кривых течения (рис. 3.4). Кривая / соответст-
РЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТОВ
69
вует ньютоновской модели сред, так как зави-
симость между т и у прямолинейная. Кривые
2. 3 соответствуют неньютоновским моделям
сред, уравнение состояния которых можно
записать в виде эмпирического соотношения:
т = К(у)", (3.22)
где К - реологический параметр; п - параметр,
характеризующий степень отклонения от нью-
тоновского поведения.
Соотношение (3.22) является степенным
законом Освальда-де-Вааля. При этом пара-
метр п < 1 для кривой 2 и п > 1 для кривой 3.
Для ньютоновской модели сред п = 1 и пара-
метр К в этом случае равен динамической вяз-
кости Г| .
Кривые 4-6 показывают, что сдвиговое
течение продуктов может начаться только то-
гда, когда напряжение сдвига т превышает
предельное для данного продукта напряжение
Тд. При этом характер сдвигового течения
может быть разным. Кривая 4 соответствует
линейному характеру течения, подчиняющему-
ся зависимости:
т = т0 + ПплУ, (3.23)
где Чпп-динамическая вязкость.
Кривые 5, 6 характеризуются разнообраз-
ной нелинейной зависимостью т от у .
Общепринято называть вязкопластич-
ной моделью Шведова - Бингама те продукты,
реологические уравнения которых подчиняют-
ся линейной зависимости (3.23). В этом случае
кривые 5, 6 соответствуют нелинейным вязко-
пластичным средам.
В настоящее время наиболее общей запи-
сью реологического уравнения нелинейно-
вязкопластичных сред является зависимость,
предложенная З.П. Шульманом:
т = то+Пплб)"/'"- (3-24)
где п,т- параметры кривой течения.
Многие пищевые продукты, наряду с вяз-
кими и пластичными свойствами, проявляют
упругие свойства. Это приводит к тому, что
деформация этих сред зависит от времени.
Реологическое уравнение состояния таких вяз-
коупругих моделей сред можно представить в
виде:
Рис. 3.4. Кривые течения различных сред:
зависимости напряжения сдвига т
от скорости сдвига у
1 1 ( *
т = — +—ехр —
_П1 П2 U.
(3.25)
где Г|1, Л2 “ динамическая вязкость; t - теку-
щее время; X- время релаксации, которое оп-
ределяет время, которое необходимо для сни-
жения неупругой деформации в е раз; е - осно-
вание натуральных логарифмов.
Время релаксации X (период релакса-
ции) зависит от отношения динамической вяз-
кости к модулю сдвига G:
(3.26)
Использование реологических моделей
имеет то преимущество, что позволяет рас-
сматривать все многообразие пищевых продук-
тов как определенный класс реологических
моделей и изучать характер взаимодействия
рабочих органов оборудования с типичными
реологическими моделями сред.
Как правило, для практических целей все
многообразие пищевых продуктов можно от-
нести к классу 5 реологических моделей сред,
которые описываются уравнениями (3.20),
(3.22)-(3.26).
Реологические механические модели.
Изучать поведение идеализированных реоло-
гических моделей сред очень удобно при по-
мощи механических моделей. Так, идеально
упругое тело Гука т = Gy (у - сдвиговая де-
формация) можно схематично представить в
виде пружины (рис. 3.5, а) с модулем упруго-
сти G, идеально вязкую жидкость т = Г|у (мо-
дель Ньютона) - в виде демпфера, состоящего
из поршня, который перемещается в цилиндре
70 Глава 3. ОСОБЕННОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ
Рис. 3.5. Механические модели
реологических сред
с жидкостью (рис. 3.5, б). При перемещении
поршня жидкость через зазоры между порш-
нем и цилиндром протекает из одной части
цилиндра в другую. При этом сопротивление
перемещению поршня пропорционально его
скорости.
Идеально пластичное тело Сен-Венана
можно представить в виде двух прижатых друг
к другу пластин (рис. 3.5, в). При этом реоло-
гическая модель тела Сен-Венана характеризу-
ется тем, что деформация в теле не начинается
до тех пор, пока напряжение сдвига не превы-
сит критического значения предела текучести
Tq (предельное напряжение сдвига), после
чего деформация может развиваться с любой
скоростью.
Комбинируя эти простые модели сред,
можно изучать поведение сложных моделей
сред. Модель упругопластического тела полу-
чим путем последовательного соединения тела
Гука с модулем упругости G и пластического
элемента Сен-Венана с пределом текучести Tq
(рис. 3.5, г). При напряжении т < Tq модель
ведет себя как тело Гука, а при т > Tq начина-
ется пластическое течение. Соединив модели
Гука и Ньютона, получим вязкоупругое тело,
свойства которого будут существенно зависеть
от способа соединения: последовательного
(рис. 3.5, д) или параллельного (рис. 3.5, е).
3.1.4. РЕЛАКСАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЙ.
ПОЛЗУЧЕСТЬ ПИЩЕВЫХ СРЕД
При последовательном соединении моде-
ли Гука с модулем упругости G и модели Нью-
тона с вязкостью Г| получим вязкоупругое
релаксирующее тело Максвелла (см. рис. 3.5, б)).
Это тело ведет себя как упругое или как вязкое
в зависимости от отношения времени релакса-
ции X(X = n/G) ко времени проведения экс-
перимента. Если растянуть пружину, а затем
нагрузку сбросить, то поршень не успеет на-
чать движение и вся система будет вести себя
как упругое тело Гука. Если растянуть пружи-
ну и поддерживать растяжение постоянным, то
пружина, перемещая поршень вверх, придаст
системе свойства ньютоновской жидкости с
постоянной вязкостью Г|.
Реологическое уравнение тела Максвелла
можно получить следующим образом. Общая
деформация тела Максвелла равна сумме де-
формаций тел Гука и Ньютона:
б7у = б7уг-^Ун’ (3.27)
где б/уг- угловая деформация тела Гука;
б/Ун - угловая деформация тела Ньютона.
Беря производную от левой и правой частей
уравнения (3.27), получим
= ^Yr ! ^Yh
dt dt dt
(3.28)
б/Ун
Величину —— определим из реологического
dt
уравнения тела Ньютона (3.20)
dt г|
(3.29)
Величину —- определим из реологического
dt
уравнения тела Гука (см. рис. 3.5, а):
б/уг _ 1 dx
~dt~~~G~dt
(3.30)
Подставив уравнения (3.29) и (3.30) в (3.28),
получим реологическое уравнение тела Мак-
свелла:
РЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТОВ
71
т П dx dy
G dt dt
(3.31)
При постоянной деформации у = const,
б/у
— = 0 решение уравнения (3.31) дает воз-
dt )
можность получить закон изменения прило-
женного напряжения со временем:
Т = Т| exp —I,
(3.32)
где Т| - напряжение в момент времени t, после
которого деформация остается постоянной,
। dy I
I у = const, — = 0 I; X = Г|/(7 - время релак-
сации; t - текущее время.
Уравнение (3.32) показывает, что при по-
стоянной деформации в теле Максвелла на-
пряжение во времени уменьшается. Это явле-
ние называется релаксацией напряжения. Та-
ким образом время релаксации X равно вре-
мени, в течение которого напряжение при по-
стоянной деформации уменьшается в е раз
(е = 2,7).
На рис. 3.6 представлен график измене-
ния напряжений т для тела Максвелла. В ин-
тервале времени от нуля до t\ (при у = const)
напряжение растет и при t —> оо стремится к
предельному равновесному значению . Од-
нако, если в момент времени t > t\ скорость
деформации становится равной нулю (у = 0,
у = const), то происходит релаксация напря-
жения по закону (3.32).
Поведение вязкоупругого тела при парал-
лельном соединении элементов (см. рис. 3.5, е) -
модель Кельвина-Фойгта имеет отличия от
модели Максвелла. Под действием растяги-
вающей силы пружина удлиняется, а поршень
начинает двигаться в жидкости. Так как дви-
жение поршня связано с вязким сопротивлени-
ем жидкости, то полное растяжение пружины
наступает не сразу. После того как нагрузка
устранена, пружина также не может сразу же
сжаться до первоначальной длины, ибо этому
препятствует вязкое сопротивление жидкости.
Таким образом, модель Кельвина-Фойгта ха-
рактеризуется запаздывающей упругостью, т.е.
Рис. 3.6. Диаграмма изменения напряжения т
в теле Максвелла и деформации у в теле
Кельвина - Фойгта
упругая деформация не может как мгновенно
развиться, так и снизиться, что свойственно
упругому телу Гука.
Реологическое уравнение модели Кельви-
на - Фойгта получим следующим образом.
При параллельном соединении деформации
каждого элемента равны между собой:
Уг =Ун =У-
где у - общая деформация.
При этом общее касательное напряжение
сложного тела равно сумме напряжений от-
дельных элементов:
т = тг+тн, (3.33)
где тг , тн - касательные напряжения соответ-
ственно в теле Гука и Ньютона.
Подставив в правую часть уравнения
(3.33) значения тг и тн из реологических
уравнений для тел Гука и Ньютона, после пре-
образований получим реологические уравнения
тела Кельвина - Фойгта'.
dy G т
—+—у=—
dt П П
(3.34)
Полагая напряжение т = const, получим
из решения уравнения (3.34)
У = — 1-ехр —t
G I П )
(3.35)
где т, - начальное напряжение; r]/G = A.; X-
время запаздывания (время упругого последей-
ствия).
Из уравнения (3.35) видно, что деформация у
достигает максимального значения уда =т*/Сг
72 Глава 3. ОСОБЕННОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ
не мгновенно, а с запаздыванием, причем вре-
мя запаздывания определяется соотношением
X = x]/G.
Если в момент времени /| снять напря-
жение, то деформация мгновенно не исчезает, а
произойдет ее постепенное снижение до рав-
новесного состояния по зависимости
Т*
7 = —ехр
G
---t
П
(3.36)
Анализ уравнения (3.36) показывает, что
деформация у стремится к нулю, когда
Z —> оо , т.е. в любое конечное время в мате-
риале всегда присутствует остаточная дефор-
мация.
Диаграмма изменения у от t аналогична
т от t (см. рис. 3.6). До момента времени
деформация растет, подчиняясь зависимости
(3.35), а затем при снятии нагрузки в момент
t = t\ с течением времени деформации умень-
шается, следуя зависимости (3.36).
Реальные пищевые материалы обладают
мгновенными упругими, запаздывающими
упругими и остаточными деформациями. По-
этому простейшей моделью, с помощью кото-
рой можно описать поведение таких материа-
лов, как тесто, конфетные массы, является мо-
дель, состоящая из последовательного соеди-
нения двух описанных выше двухэлементных
моделей (рис. 3.7). Развитие деформации во
времени для реальных материалов при посто-
янном напряжении называется ползучестью, а
зависимости деформации от времени - кривы-
ми ползучести.
При мгновенном приложении напряже-
ния т при t = 0 возникает мгновенная упру-
Рис. 3.7. Механическая модель и кривая
ползучести пищевого материала
гая деформация Yi=t/Q (отрезок ОА).
Дальнейшее развитие деформации идет по
кривой АВ. На этом участке одновременно
развиваются запаздывающая упругая деформа-
/
т
G2 <
т , G2
ция у2 =— 1-ехр-----—t
G2\ L П2
и деформация
вязкого течения уз = (т/г|| )1
Через определенное время устанавлива-
ется прямолинейная зависимость (участок ВС),
отвечающая установившемуся стационарному
процессу необратимого вязкого течения при
постоянном значении упругой деформации. На
этом участке деформация нарастает с постоян-
ной скоростью, которая характеризуется тан-
генсом угла наклона прямой ВС к оси абсцисс.
Скорость течения пропорциональная напряже-
нию и обратно пропорциональна вязкости Г|.
При t = /н напряжение снимают, при этом
исчезает мгновенная упругая деформация yj
(отрезок CD = ОА), а затем монотонно убывает
запаздывающая упругая деформация У2. С
увеличением t кривая DE асимптотически при-
ближается к конечному значению деформации,
которая равна остаточной деформации вязкого
течения Уз.
Таким образом, в период действия посто-
янного напряжения т при 0 < t < /н общая
деформация определяется следующим выра-
жением:
у = у|+у2+уз~ +
т
+ — 1-ехр
GA
П2 JJ П1
(3.37)
+—с
в которое входят четыре физико-механические
характеристики: модуль С7| мгновенной упру-
гой деформации, Па; модуль G2 запаздываю-
щей упругой деформации, Па; динамиче-
ская вязкость т|| материала, Па с; динами-
ческая вязкость т|2 упругого последейст-
вия, Пас.
За период нагружения t = /н общая де-
формация у соответствует отрезку ON, упру-
гая деформация - отрезку ОА, деформация
ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ И КАЧЕСТВА
73
вязкого течения 73 - отрезку MN (точка М
получается при пересечении отрезка ВС с осью
у ), деформация у2 - отрезку AM. Характери-
стики G] и ГЦ определяются с учетом равен-
ства (3.37) по следующим формулам:
т т
Gi= —; ni=— V
Y1 Y3
Учитывая, что запаздывающая упругая
деформация У2 практически полностью за-
вершается в точке В, модуль
G2 = т/у2 •
Вязкость упругого последействия Г|2 оп-
ределяют следующим образом. Отношение
42/^2 имеет физический смысл времени, в
течение которого деформация У2 достигает
63 % максимального значения и носит назва-
ние времени запаздывания (Л). Величина X
определяется абсциссой точки пересечения
касательной к кривой ползучести в точке А с
прямой Л/С. Объясняется это следующим.
Уравнение касательной в точке А имеет вид
т т
У = У| + 777 +—‘ ’
г|| J
(3.38)
а уравнение прямой МС определяется выраже-
нием
Y - Yi +Y2 +—*- (3-39)
П1
Приравнивая выражения (3.38) и (3.39),
получим абсциссу точки пересечения t = Х .
Тогда
П2 = ^2^ •
С целью повышения точности определе-
ния физико-механических характеристик полу-
чают несколько кривых ползучести при разных
напряжениях. Это дает возможность, во-
первых, проверить линейность зависимостей
мгновенной упругой деформации, запазды-
вающей упругой деформации и скорости де-
формации вязкого течения от напряжения
сдвига и, во-вторых, графически определить
характеристики материала по результатам не-
скольких параллельных испытаний.
Примером использования характеристик
материала является расчет процесса нанесения
рисунка на тестовую заготовку. Очевидно, что
для сохранения рисунка необходимо, чтобы
материал тестовой заготовки обладал остаточ-
ными деформациями, существенно превы-
шающими упругие. Зная напряжения, дейст-
вующие в материале при внедрении штампа, а
также его физико-механические характеристи-
ки, можно определить продолжительность си-
лового воздействия на тестовую заготовку.
При проектировании оборудования для
переработки и транспортирования пищевых
масс необходимо учитывать как можно более
полно их реологические свойства, в том числе
тиксотропные. Под тиксотропией понимают
способность материала восстанавливать свою
структуру после механического воздействия.
3.2. ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ
И КАЧЕСТВА
Качество оборудования формируется на
различных этапах его жизненного цикла [5]:
техническое задание (ТЗ) на изделие определя-
ет 100% качества оборудования; эскизный и
технический проект - 50...80 %; рабочий про-
ект и технологическая подготовка производст-
ва- 5... 35 % и производство - 5...25 %.
Необходимый уровень качества заклады-
вается на стадии разработки и проектирования
оборудования. Нормативно-технической базой,
обеспечивающей высокий технический уро-
вень и качество вновь разрабатываемого обо-
рудования, являются государственные стан-
дарты. Общие технические требования (ОТТ)
регламентируют требования к основным пока-
зателям качества оборудования, дифференци-
рованным по ступеням технического уровня
качества. Требования первой ступени должны
обеспечить выпуск машин, параметры которых
соответствуют высшему мировому уровню.
Вторая ступень устанавливает высший
мировой уровень перспективных требований.
Для среднесрочных прогнозов, которые необ-
ходимо выполнить для определения перспек-
тивных параметров машин с последующим
включением их в технические требования, хо-
рошо зарекомендовал себя один из фактогра-
фических методов - метод экстраполяции тен-
денций [6]. Изменение большинства единич-
ных и обобщенных показателей технического
уровня и качества во времени может быть опи-
сано логарифмическими и показательными
функциями, которые и целесообразно исполь-
зовать в качестве тренда при экстраполяции.
74 Глава 3. ОСОБЕННОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ
Перспективные значения показателей,
которые не описываются функциональными
зависимостями и к которым не применим ме-
тод экстраполяции (надежностные показатели,
показатели, характеризующие технологические
возможности машин, и др.), определяются на
основе комплексного анализа информацион-
ных и патентных материалов, изучения зару-
бежных аналогов, экспертных опросов и т.п.
Объективность результатов прогноза проверя-
ется с использование инверсной верификации.
При разработке методических вопросов
комплексной оценки качества технологическо-
го оборудования необходимо исходить из об-
щих принципов квалиметрии [7]:
отдельные свойства продукции составля-
ют иерархическую структуру ее качества;
свойства /-го уровня определяются соответст-
вующими свойствами (/4-1)-го уровня
(/= 0,1,2,3,...) ; эти свойства путем измере-
ния или вычисления получают численные ха-
рактеристики
различные шкалы измерения абсолютных
показателей свойств обязательно должны быть
трансформированы в одну общую шкалу (от-
ношений, разностей, интервалов, порядковую,
номинальную);
измерение отдельных свойств или самого
качества должно завершаться определением
относительного показателя (оценки) качества
= f (Pij •> ?ij баз ) ’
где /^баз _ базовый показатель, принятый за
исходный при сравнительных оценках качест-
ва;
каждое свойство качества определяется
двумя числовыми параметрами - относитель-
ным показателем Ку и весомостью Му ;
сумма весомостей свойств одного уровня
есть величина постоянная; коэффициент весо-
мости данного показателя качества продукции
является количественной характеристикой его
значимости среди других показателей при
комплексной оценке качества.
Перспективными направлениями разви-
тия квалиметрии машин и агрегатов пище-
вых производств являются:
расширение сферы применения методов
квалиметрии;
углубление анализа (по степени охвата
решаемых задач);
совершенствование технологии оценива-
ния качества;
создание автоматизированных систем оцен-
ки и анализа технического уровня продукции;
построение моделей и функциональных
зависимостей качества получаемой продукции
и качества технологического оборудования.
Наиболее часто в инженерной практике
алгоритм комплексной оценки качества вклю-
чает следующие основные этапы:
выбор технических параметров, характе-
ризующих различные свойства рассматривае-
мого вида оборудования, и формирование но-
менклатуры показателей его качества;
определение значений показателей каче-
ства;
выбор базового (эталонного) образца
оборудования;
сопоставление показателей качества оце-
ниваемого образца с показателями качества
базового образца;
определение (назначение) коэффициентов
весомости единичных показателей в выбран-
ной совокупности;
выбор метода сведения воедино единич-
ных оценок показателей качества в комплекс-
ную оценку;
вычисление комплексной оценки качест-
ва оборудования конкретного вида и типораз-
мера.
3.2.1. НОМЕНКЛАТУРА И СТРУКТУРА
СВОЙСТВ ОБОРУДОВАНИЯ
Построение деревьев свойств оборудова-
ния, представляющего качество машины как
многоуровневую иерархическую структуру,
является обязательным условием при проведе-
нии процедуры оценки качества. При этом,
строя иерархическую структуру свойств, необ-
ходимо подняться до такого высокого ди-го
уровня рассмотрения, на котором находятся
разлагаемые простые свойства, подлежащие
оценке и исследованию.
Построение дерева свойств осуществля-
ется на эвристической основе (соподчинен-
ность, сопоставимость, полнота, определяе-
мость, возможность внесения корректировок).
При построении деревьев свойств необходимо
конкретизировать субъект оценки, так как уро-
вень его социальной иерархии влияет на число
свойств, используемых при построении дерева.
ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ И КАЧЕСТВА
75
3.1. Дерево свойств оборудования для механической обработки продуктов питания,
используемое при оценке уровня качества с первого по шестой
0 1 2 3 4 5 6
Качество машин Качество машины (результаты, получаемые производителями) Функциональность машины (обеспечение материальных потребностей) при ремонте и техниче- ском обслу- живании Приспособленность к ремонту
Приспособленность к техническому обслуживанию
при непосредственном использовании ма- шины Блок свойств, относящихся к выполнению основной и вспомогательной функций (табл. 3.2)
Безопасность людей, непосредственно обеспечивающих функционирование
людей, непосредственно обеспечивающих функционирование (ремонт и ТО)
людей, для которых функционирует машина
Комфортность гигиенические
антропометрические
психофизические
Эстетичность машины (удовлетворение духовных потреб- ностей) современность художественно-конструк- торского решения
функционально-конструкторская вырази- тельность формы
гармоническая целостность композицион- ной структуры
совершенство производственного исполне- ния элементов внешней формы
Экономичность использова- ния машины Технологическое потребление электроэнергии
Занимаемая площадь
Масса машины
В табл. 3.1 приведено дерево свойств
(классификационная правосторонняя таблица с
семью уровнями), соответствующее инте-
гральному показателю качества оборудования
для механической обработки продуктов пита-
ния и содержащее свойства, характеризующие
как затраты, понесенные обществом на произ-
водство и потребление машины, так и резуль-
таты, получаемые обществом. В табл. 3.2 при-
веден блок дерева свойств машин (с четвертого
по шестой уровень) резки гастрономии, отно-
сящихся к выполнению основной и вспомога-
тельной функций.
Для практических инженерных расчетов
оценки качества технологического оборудова-
ния может быть рекомендован следующий
перечень показателей.
Технико-эксплуатационные показатели:
производительность, кг/ч; л/ч; шт./ч (или
другой главный параметр изделия);
76 Глава 3. ОСОБЕННОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ
3.2. Блок дерева свойств машин резки гастрономии, относящихся к выполнению
основной и вспомогательной функций с четвертого по шестой уровень
4 5 6
Приспособленность к выполнению ос- новного назначения Производительность Частота реза
Время вспомогательных операций, входящих в цикл работы машины
Качество получаемого продукта (обеспечение оптималь- ных потребительских свойств) Сохранение упругости
Отсутствие повреждений нарезанных ломтей
Чистота среза
Технологические возможности Диапазон регулирования толщины нарезки
Пригодность к нарезке гастрономических товаров с различным удельным сопротивлением резанию
Приспособленность к нарезке продуктов широкого диапазона размеров без предварительного разрезания
Приспособленность к выполнению второстепенных функций
технологическое потребление:
электроэнергии, кВт ч;
пара, кг/ч;
холода, Дж;
масса, кг;
занимаемая площадь в смонтированном
состоянии, м2.
Показатели надежности (долговечно-
сти):
коэффициент готовности;
коэффициент технического использования;
установленная безотказная наработка на
отказ, ч, не менее;
средняя наработка на отказ, ч, не менее;
среднее время восстановления работо-
способного состояния, ч, не более;
установленный срок службы до первого ка-
питального (среднего) ремонта, годы, не менее;
срок гарантии, мес.
Показатели стандартизации и унифи-
кации:
коэффициент применяемости по состав-
ным частям, %;
коэффициент повторяемости.
Показатели технологичности:
коэффициент сборности;
удельная материалоемкость, кг/(кгч),
кг/(шт.ч) и др.;
удельная трудоемкость изготовления,
нормо ч/(кг ч), нормоч/(шт.ч).
Эргономические показатели:
эквивалентный уровень звука, дБА, не
более;
виброскорость, дБ;
соответствие изделия размерам и форме
тела человека, баллы;
соответствие изделия силовым возмож-
ностям человека, баллы;
соответствие изделия энергетическим
возможностям человека, баллы.
Эстетические показатели:
рациональность формы и примененных
материалов, баллы;
целостность конструкции, баллы;
соответствие изделия современным тен-
денциям художественного конструирования,
баллы;
товарный вид, баллы.
Патентно-правовые показатели:
патентной защиты;
патентной чистоты.
Показатели безопасности и производ-
ственной санитарии, баллы.
ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ И КАЧЕСТВА
77
3.2.2. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ
КАЧЕСТВА ОБОРУДОВАНИЯ
Инструментальный метод определе-
ния показателей качества с помощью прибо-
ров отличается высокой точностью, так как не
зависит от индивидуальных особенностей ис-
следователя.
Расчетный метод определения показа-
телей качества осуществляется посредством
вычислений с использованием параметров,
найденных другими методами исследования.
Социологический метод определения
показателей качества основан на сборе и
анализе мнений фактических или возможных
потребителей продукции (анкетные опросы,
потребительские конференции и т.п.). Этот
метод требует создания научно обоснованной
отраслевой системы опроса и разработки мате-
матических способов сбора и обработки ин-
формации, поступающей от потребителей.
Экспертный метод определения пока-
зателей качества основан на учете мнения
группы высококвалифицированных специали-
стов-экспертов. Использование этого метода
целесообразно только тогда, когда задача не
может быть решена другими методами или
когда другие методы являются менее точными
или более трудоемкими.
Базовыми образцами на стадии разра-
ботки могут служить:
продукция, отвечающая реально дости-
жимым перспективным требованиям (перспек-
тивный образец);
планируемая к освоению продукция, по-
казатели качества которой заложены в техни-
ческое задание, технический и рабочий проект.
Базовыми образцами на стадии изготов-
ления могут быть:
выпускаемая в стране и за рубежом про-
дукция, показатели качества которой в момент
оценки отвечают самым высоким требованиям,
и которая наиболее эффективна в эксплуатации
или потреблении;
государственные или отраслевые стан-
дарты, технические условия, регламентирую-
щие оптимальные значения показателей каче-
ства.
Дифференциальный метод оценки
уровня качества основан на сопоставлении
совокупности значений единичных показате-
лей качества оцениваемой продукции с соот-
ветствующей совокупностью значений базовых
показателей:
Я или Я ^/баз/• (3.40)
Преимущество дифференциального ме-
тода заключается в том, что он не требует при-
ведения показателей свойств к сопоставимому
виду, определения коэффициентов весомости и
позволяет четко установить, по каким свойст-
вам оцениваемое изделие достигает лучших
образцов, а по каким не достигает. Одним из
недостатков этою метода является невозмож-
ность получения единого численного показате-
ля качества.
Комплексный метод оценки уровня ка-
чества продукции заключается в выражении
оценки уровня одним числом, которое получа-
ется в результате объединения выбранных еди-
ничных показателей в один комплексный пока-
затель.
Комплексный показатель как обобщенная
средняя взвешенная величина с постоянными
параметрами весомости определяется следую-
щей формулой:
п
(3.41)
/=1
где Kj обобщенный комплексный показа-
тель качества; gj.-.g^- неотрицательные па-
раметры весомости; и - единичные
показатели качества объекта и соответствую-
щие им базовые значения; F и f - диффе-
ренцируемые строго монотонные функции.
Из формулы (3.41) можно получить
арифметические, геометрические, квадратиче-
ские и гармонические средние взвешенные
показатели качества. Выбор и обоснование
функциональной зависимости комплексной
оценки от единичных свойств является наибо-
лее сложной проблемой квалиметрии и не все-
гда решается однозначно.
Комплексная оценка уровня качества
оборудования не исключает дифференциаль-
ную, поскольку в ряде случаев высокое значе-
ние комплексною показателя качества может
маскировать низкий уровень качества модели
по некоторым единичным показателям.
Назначение коэффициентов весомости -
один из сложных вопросов в комплексной
оценке. Значения коэффициентов весомости
могут быть определены различными методами:
стоимостных регрессионных зависимостей,
предельных и номинальных значений, эквива-
78 Глава 3. ОСОБЕННОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ
лентных соотношений, статистических (корре-
ляционных и регрессионных), экспертных [7].
Метод стоимостных регрессионных
зависимостей основан на определении коэф-
фициента регрессии эмпирической зависимо-
сти между показателем качества и стоимостью
(оптовой ценой продукции). Он предполагает
определение коэффициентов весомости по
среднестатистическим затратам С, необходи-
мым для достижения значения показателя Pj и
для создания изделия с показателями
Р\, Р}, Р^,..., Р„, выраженным в трудовой или
денежной форме.
Метод номинальных и предельных зна-
чений предполагает обратно пропорциональ-
ную зависимость значений весомости свойств
от разности Р/ном -^пр-
Метод эквивалентных соотношений
применяется в том случае, когда можно обос-
новать, какому относительному изменению
количества продукции эквивалентно относи-
тельное изменение соответствующего показа-
теля качества с точки зрения общего эффекта
от использования продукции по назначению.
Для определения коэффициентов весомо-
сти корреляционным методом предваритель-
но рассчитывают значения коэффициентов
корреляции между соответствующими единич-
ными показателями качества изделия и одним
из показателей затрат. Для малосущественных
показателей, достижение которых почти не
требуют никаких затрат, коэффициенты корре-
ляции малы, соответственно малы и их коэф-
фициенты весомости. Улучшения существен-
ных показателей можно добиться только за
счет значительного увеличения затрат, и, при
этом их коэффициенты весомости будут боль-
ше.
Экспертный метод применяют в тех
случаях, когда коэффициенты весомости не-
возможно рассчитать. Среди экспертных мето-
дов наиболее приемлемыми для определения
коэффициентов весомости являются методы:
предпочтений, рангов, попарного сопоставле-
ния и Дельфи.
В связи с тем, что большинство величин,
которые используются при определении ком-
плексного показателя качества оборудования
(значения единичных показателей качества
оборудования и их базовые значения, значения
коэффициентов весомости единичных показа-
телей качества) являются величинами, изме-
няющимися во времени, целесообразно ис-
пользовать расчетные методы определения
комплексного показателя качества машин, в
которых учитывается фактор времени.
На основе базы данных об удельных (от-
несенных к главному параметру машины -
производительности, объему рабочей камеры,
количеству рабочих ходов и т.д.) единичных
показателях качества оцениваемого оборудо-
вания, в которую должны быть внесены все
известные модели данного типоразмера, и осо-
бенно машины ведущих фирм-производителей
данной техники, строится зависимость
/// = fjj (Г). Наиболее целесообразно в каче-
стве таких функций использовать логарифми-
ческую и степенную функции [6].
Скорости изменения каждого из удель-
ных единичных параметров во времени раз-
личные. Рассматривая скорости изменения
параметров в хронологической последователь-
ности, можно сделать вывод, что различие в
темпах изменения каждого из показателей вы-
ражает степень его влияния на формирование
выходных свойств машины в целом, которые
необходимы для удовлетворения конкретных
потребностей общества на данном этапе. В
мировой практике ускоренно совершенствуют-
ся наиболее важные показатели до тех пор,
пока не достигнут своего оптимального значе-
ния на данном этапе развития оборудования.
Коэффициент весомости есть относительная
величина значимости того или иного показате-
ля машины для общества в данный момент
времени. Следовательно, если какой-то пара-
метр достиг своего оптимального значения на
данный момент времени, то все выпускаемые
машины будут иметь близкие относительные
величины этого параметра и весомость данного
показателя снизится, т.к. нецелесообразно при-
сваивать большую весомость показателям,
значения которых у сравниваемых машин
близки.
Отсюда следует, что значение весомости
nij каждого показателя Pj целесообразно
определять по скорости его изменения во вре-
мени, отнесенной к исходному значению пока-
зателя Ру в тот же момент времени:
пъ = КАА/ри ’ <3-42»
где
KJ{tlAdPAti)ldt = ^ai-
ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ И КАЧЕСТВА
79
Взяв первую производную от функции
Ру=Ш по формуле (3.42), определяем
значение весомости nij.
Коэффициенты весомости Mj опреде-
ляются значениями nij в долевом отношении
к и-ряду j-x показателей (нормирование
коэффициентов):
В качестве базовых единичных показате-
лей целесообразно использовать Pq = fj(T} в
конкретный момент времени Т.
Формирование качества получаемого
продукта - конечный результат функциониро-
вания машины при условии обеспечения ее
заданной производительности. Как уже отме-
чалось, качество получаемого продукта в про-
цессе переработки на данной машине в основ-
ном формируется ее рабочими органами и за-
висит от их свойств (параметров) - геометри-
ческих, кинематических, динамических. Одна-
ко свойства рабочих органов оборудования в
иерархической структуре дерева свойств ма-
шины находятся на более низком уровне, чем
свойства, по которым принято оценивать каче-
ство оборудования. Качество продукта Р
связано с параметрами рабочих органов Р оп-
ределенными зависимостями. Иными словами,
измерение величины Р может быть произведе-
но с помощью другой величины. В связи с тем,
что на взаимосвязь величин Р и Р сложным
образом влияет большое число факторов и
значения измеряемых величин в значительной
степени зависят от условий, при которых про-
исходят измерения, необходимо стандартизо-
вать условия, в которых производятся измере-
ния Р :
p'-fcAP),
где - некоторая стандартизованная, но в
общем случае неизвестная функция.
Следует отметить, что из-за наличия не-
линейной функции fw{P} величина Р мо-
жет быть измерена только в шкале порядка,
даже если показатель измеряется в шкале от-
ношений. Случаи, когда технические величины
измеряются в шкале порядка, довольно распро-
странены, поэтому величина Р , характери-
зующая качество продукта, с успехом может
быть использована для описания свойств рабо-
чих органов машин.
Применительно к оборудованию, осуще-
ствляющему механические процессы воздейст-
вия на пищевые продукты, в качестве таких
показателей Р целесообразно использовать
реологические характеристики продукта. При
этом из целого комплекса структурно-
механических свойств необходимо выбрать
одну или несколько величин, объединенных в
комплексный показатель, которые зависят от
характера механической обработки на данной
машине или тесно коррелируют с такими вели-
чинами.
Например, параметром, с помощью кото-
рого можно оценить качество мясного фарша,
получаемого на мясорубках и волчках, являет-
ся предельное напряжение сдвига получаемого
продукта. Тесная корреляционная связь между
органолептической оценкой качества теста,
получаемого на тестомесильных машинах, и
его вязкостью [8] также позволяет использо-
вать последнюю в качестве единичного показа-
теля при оценке уровня качества тестомесиль-
ных машин. Качество крема, получаемого во
взбивальных машинах и характеризующееся
эффективной вязкостью, предельным напряже-
нием сдвига и плотностью смеси в момент
готовности тесно коррелирует с удельной ра-
ботой, затрачиваемой на процесс взбивания и
т.д.
Сравнение и анализ результатов работ по
оценке качества оборудования показали, что
результат оценки зависит от примененного
метода, способа свертки единичных показате-
лей в обобщенный, способа выбора эталона
сравнения, а также целого ряда других факто-
ров, что не позволяет однозначно утверждать о
том, что полученные оценки являются объек-
тивными. Кроме того, с точки зрения погреш-
ности, с которой выполняется количественная
оценка качества, следует различать точные,
упрощенные и приближенные методы расчета
[9].
3.2.3. ФОРМАЛИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ИЗМЕРЕНИЯ
КАК ПЕРСПЕКТИВА КВАЛИМЕТРИИ
Для устранения ряда недостатков, при-
сущих классическим методам квалиметрии,
разработан новый перспективный алгоритм
80 Глава 3. ОСОБЕННОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ
корректного измерения качества оборудования
[6]. Для осуществления данного алгоритма
необходимо конкретизировать измерительную
шкалу, установив на множестве существующих
объектов, качество которых оценивается, клас-
сы эквивалентности и присвоить последним
соответствующие квалитеты. Располагая этой
шкалой, можно в дальнейшем измерить каче-
ство любого вновь поступившего, обладающе-
го конкретным множеством {<?/} значений
свойств объекта, отнеся его к одному из суще-
ствующих квалитетов.
Оба этапа алгоритма - и конкретизация
шкалы, и определение качества - реализуются
методами распознавания образов (РО). В соот-
ветствии с типизацией постановок задач, при-
нятой в РО, проблема объективной конкрети-
зации измерительной шкалы представляет со-
бой задачу автоматической классификации (РО
с самообучением, таксономия, кластерный
анализ), в которой предполагается заданным (с
указанием совокупности свойств) множество
объектов, и требуется разбить его на некоторое
(в общем случае априори неизвестное) число
подмножеств (классов, групп) так, чтобы объ-
екты, попавшие в один класс, были в опреде-
ленном смысле схожи друг с другом. В геомет-
рическом представлении качество отображает-
ся точкой в многомерном пространстве п
свойств, и понятие "естественного" разбиения
предполагает выделение в роли класса ком-
пактной группы совокупностей свойств.
На множестве оцениваемых объектов
рассматривается множество всевозможных
разбиений. Разбиению можно неодно-
значно сопоставить набор множеств-таксонов
в пространстве значений свойств. Для опи-
сания таксонов используется некоторый класс
функций Ф (линейные функции, кусочно-
линейные, логические и т.д., в том числе и
класс функций произвольной природы).
Обозначим (0^ = } конкретный
набор к таксонов, записанных с помощью функ-
к ( к )
ций класса Ф и Q = уо >- множество этих
m
Q наборов -Q = |^J Q* . Задача таксономии
К=1
состоит в нахождении множества (0* е Q , мак-
симизирующего некий критерий качества груп-
пировки F : F^cd* max F(со) . Таким обра-
зом, в классе функций Ф с помощью критерия
F определяются наилучшие разбивки множе-
ства Уэ на группы эквивалентности.
В качестве функций описания таксонов
использован класс логических функций. При-
менение соответствующего математического
аппарата позволило сформировать величину
/(£) - превышение частости выполнения
дизъюнкции L над априорной вероятностью.
Чем больше /(/,). тем больше оснований
рассматривать - множество истинности L
как таксон, а подмножество элементов из Иэ,
на котором L истинно, в качестве класса. Ве-
личина f (Л) рассматривается как характери-
стика обоснованности выбора таксона вне свя-
зи его с другими таксонами. Однако качество
разбиения множества на компактные подмно-
жества зависит не только от "плотности"
структуры отдельных таксонов, но и от их уда-
ленности друг от друга. Это обстоятельство
находит свое отражение в критерии группи-
ровки.
Пусть имеется пара таксонов 7j и Т2,
которые описываются дизъюнкциями L\, L2 .
На этой базе конструируется конъюнкция
которая при объединении таксонов 7j, Т2 в
единый описывает таксон лучшего качества.
Вводится величина A(F|,Z,2), индицирующая
ухудшение качества таксона, обусловленное
его укрупнением.
В роли общего критерия качества разбие-
ния множества элементов на два подмножества
используется соотношение
Г(Л1,Л2) = /(А1) + /(£2)-Д(Л1,£2),
и для разбиения на большее 2-х число клас-
сов применяется метод перебора по всем парам
таксонов. В этом случае в роли критерия каче-
ства группировки используется среднее значе-
ние F
л(/,1,л2,..,^) = (1/лр)Х/г(ЛЛ7),
где Пр - число всевозможных пар классов.
НАДЕЖНОСТЬ МАШИН И АГРЕГАТОВ
81
Таким образом задача разбиения Иэ на
классы сведена к максимизации критерия F
посредством вариации состава таксонов.
Разработанный алгоритм и использование
соответствующего математического аппарата
позволяет получить действительно объектив-
ные данное о техническом уровне и качестве
технологического оборудования.
3.3. НАДЕЖНОСТЬ МАШИН И АГРЕГАТОВ
3.3.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Надежность - это один из основных пока-
зателей качества изделий, проявляющийся во
времени и отражающий изменения, происхо-
дящие в машине на протяжении всего времени
ее эксплуатации.
Для обеспечения требуемых показателей
надежности технологического оборудования
необходимо управлять процессом их формиро-
вания на всех этапах жизненного цикла обору-
дования: от разработки технического задания и
проектирования до проведения плановых и
неплановых ремонтных работ (рис. 3.8).
Существуют два основных направления
исследования надежности технологического
оборудования [14]:
исследования опытных или серийных об-
разцов изделий или их партий, которые прово-
дятся путем организации специальных наблю-
дений в процессе эксплуатации или путем
стендовых, полигонных, форсированных, уско-
ренных испытаний;
применение теоретических методов рас-
чета, физического и математического модели-
рования без использования реальных образцов
изделий.
Выбор метода исследования определяется
целым комплексом факторов
организационно-техническими возмож-
ностями и экономической целесообразностью;
выбором этапа жизненного цикла, на ко-
тором проводится исследование надежности;
наличием имитатора перерабатываемого
сырья;
объективностью имеющихся физических
и математических моделей и др.
Основными элементами машин и аппара-
тов пищевых производств являются исполни-
тельные механизмы, осуществляющие движе-
ние рабочих органов по заданным законам и
сами рабочие органы - инструменты или дета-
ли, входящие в непосредственное соприкосно-
вение с обрабатываемыми объектами и совер-
шающие механическую работу по преодоле-
нию сопротивления. Они определяют специ-
фику исследования надежности данного обо-
рудования. Отказы перечисленных элементов
машин в общем потоке отказов составляют
25...50 % [16, 17].
Из всего многообразия методов исследо-
вания надежности технологического оборудо-
вания (эксплуатационные наблюдения, форси-
Рис. 3.8. Управление потоком информации о надежности
82 Глава 3. ОСОБЕННОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ
рованные и ускоренные испытания, эксперт-
ный опрос и тензометрирование нагрузок, по-
строение математических моделей и др.) пред-
почтение отдается эксплуатационным наблю-
дениям, позволяющим получать наиболее пол-
ную и достоверную информацию о надежности
как машины в целом, так составляющих ее
элементов.
В этом случае методика оценки показате-
лей надежности включает:
организацию эксплуатационных наблю-
дений и сбор данных об отказах;
установление закона распределения отка-
зов, оценку соответствия теоретического и
эмпирического законов распределения отказов,
определение параметров закона отказов;
оценку надежности исследуемого обору-
дования и выявление деталей и узлов, наиболее
часто выходящих из строя [18].
Под оценками показателей надежно-
сти при этом понимают точечную или интер-
вальную (границы доверительного интервала,
который с заданной вероятностью содержит
истинное значение показателя) оценку показа-
теля. Для определения показателей надежности
применяют два метода:
непараметрический, который при неиз-
вестном виде закона распределения случайной
величины (наработки на отказ, ресурса, срока
службы, срока сохраняемости, времени восста-
новления) включает непосредственную оценку
показателей надежности по выборочным дан-
ным;
параметрический, который при известном
виде закона распределения случайной величи-
ны включает оценку параметров закона рас-
пределения, входящих в расчетную формулу
определяемого показателя надежности, и оцен-
ку показателя надежности по вычисленным
оценкам параметров закона распределения.
План испытаний на надежность устанав-
ливает число объектов испытаний, порядок их
проведения и критерий их прекращения. Вы-
бор планов испытаний зависит от типа объекта
испытаний, целей испытаний, оцениваемых
показателей надежности, условий испытаний и
других технико-экономических факторов.
3.3.2. ИСПЫТАНИЯ НА НАДЕЖНОСТЬ
Планирование испытаний на надеж-
ность. Планирование испытаний на надеж-
ность предусматривает определение требуемо-
го объема испытаний для вычисления оценок
показателей надежности с заданной точностью
(относительной погрешностью £ в оценке
показателя надежности) и достоверностью
(доверительной вероятностью q).
Под объемом испытаний понимают для
планов:
[NUN] - число объектов испытаний N
или число восстановлений работоспособного
состояния (при испытаниях для оценки средне-
го времени восстановления);
[NUr], [NMr], [NRr] - число объектов ис-
пытаний N и число отказов (предельных со-
стояний) г испытуемых объектов;
[NUT], [NMT], [NRT] - число объектов
испытаний и продолжительность испытаний Т.
Исходными данными для расчета объема
испытаний служат:
доверительная вероятность q интерваль-
ной оценки соответствующего показателя на-
дежности;
предельная относительная погрешность
оценки соответствующего показателя на-
дежности
где R - оценка показателя надежности R;
R - нижняя доверительная граница (НДГ)
показателя надежности R, R - верхняя дове-
рительная граница (ВДГ) показателя надежно-
сти R ;
коэффициент вариации v распределения
случайной величины (наработки, ресурса, сро-
ка службы, времени восстановления, срока
сохраняемости);
вид закона распределения случайной ве-
личины.
Определение объема испытаний. При
неизвестном законе распределения случайной
величины для определения показателей надеж-
ности для имеющихся случайных данных объ-
ем испытаний принимают равным максималь-
ным значениям. При известном виде закона
распределения случайной величины для плана
[NUN] исходными данными для расчета объе-
ма испытаний при оценке средних показателей
надежности служат:
доверительная вероятность q;
относительная погрешность £;
коэффициент вариации v;
НАДЕЖНОСТЬ МАШИН И АГРЕГАТОВ
83
вид закона распределения случайной ве-
личины.
При оценке средних показателей надеж-
ности число объектов испытаний N или число
восстановлений работоспособного состояния
определяются по формулам:
для экспоненциального распределения
pgy?(1 + V1 + ^2
jF 2(1-Y/100)
для логарифмически нормального рас-
пределения
W=O,5(i;+l)x?_?(2Ar); (3.43)
для диффузионных DM- и DN-pac-
пределений
W=O,5(m9v/J02(1 + -^1 + ^2 (3.44)
для логарифмически нормального рас-
пределения
лг=Ьд)2|п(у2+1)
l+0,51n(v2+1)
ку =-4-J(1-y/100)y/100 ;
/о(му)
для распределения Вейбулла
[ J 7 in(100/y) ’
(3.45)
для распределения Вейбулла
W = 0,5(l+^)2X?_?(2Af), (3.46)
где - квантиль хи-квадрат распределе-
ния с числом степеней свободы I, соответст-
вующая вероятности q ; Uq - квантиль нор-
мального распределения, соответствующая
вероятности q .
При оценке гамма-процентных показате-
лей надежности при регламентированной ве-
роятности у/100 число объектов испытаний
N или число восстановлений работоспособного
состояния определяют по формулам:
для экспоненциального распределения
(unKv
N=
JlOO/y-1
у 1п(100/у) ’
где К=DN\TCp ; p,,v j - вероятность, со-
ответствующая наработке Тср ; DN(t\ ]LL,v) -
обозначение функции DN-распределения;
у/100 - регламентированная вероятность;
/о (wy) “ плотность нормированного нормаль-
ного распределения, соответствующая и у.
При известном законе распределения
случайной величины для плана [NUr] число
отказов (предельных состояний) г за время
испытаний для оценки средних показателей
надежности используются формулы (3.43}-
(3.46), полагая вместо N значение г.
Для оценки средних показателей
надежности при заданной относительной
продолжительности испытаний ^=Ти1Тс^
объем выборки W определяют по формулам:
для экспоненциального распределения
еге(г-0,5)+0,5
еж
для DM-распределения
(и v A2f, + V1+^2 kDM
N= — ---------------
J 2(1-у/100)
для DN-распределения
для DM-распределения
N=r/>P
84 Глава 3. ОСОБЕННОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ
для DN-распределения
ае-1
v
для логарифмически нормального рас-
пределения
7V = r
для распределения Вейбулла
где Тср - оценка средних показателей надеж-
ности Тср ; Ти - продолжительность испыта-
ний; Ф(*) - функция нормального распреде-
ления (нормированного); Г(») - гамма-
функция.
При известном законе распределения
случайной величины для плана [NUT] для
оценки средних показателем надежности опре-
деляют прогнозируемое число отказов г по
формулам (3.43) - (3.46), полагая вместо N
значения г .
Относительная продолжительность ис-
пытаний зе при заданном объеме выборки Т
определяют по формулам:
для экспоненциального распределения
для DM-распределения
1 1
ае= 0,5v
для DN-распределения
зе= l + 0,5v2w2M; -
’ r/N
/ 7 ? \I/2
-vMr/yv(i+i/4vzM;/yv)
для логарифмически нормального рас-
пределения
ае=ехр
для распределения Вейбулла
где urjN - квантиль нормального распределе-
ния уровня г/W .
Продолжительность испытаний Т оп-
ределяется по формуле:
7’=зе7’ср,
где Тср - ожидаемое значение оцениваемого
среднего показателя надежности.
При известном законе распределения
случайной величины для планов [NMr] и
[NRr] для оценки средних показателей на-
дежности (наработки до отказа и на отказ,
среднего времени восстановления) определяют
число отказов (восстановлений работоспособ-
ного состояния) г согласно формул (3.43) -
(3.46), полагая вместо W значение г.
Объем выборки N в данном случае не
регламентируется.
3.3.3. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ
НАДЕЖНОСТИ
Оценка показателей надежности непа-
раметрическими методами. Точечные оценки
показателей надежности вычисляют при г >5 .
При г <5 используют нижние доверительные
границы показателей надежности. Последова-
тельность вычисления оценок показателей
надежности для планов [NUN], [NUr],
[NUT], [Nuz] следующая.
Наработки до отказа и до цензурирования
(для планов, отличных от [NUN]) выстраивают
в общий вариационный ряд в порядке неубы-
вания. Вычисляют оценку функции распреде-
НАДЕЖНОСТЬ МАШИН И АГРЕГАТОВ
85
ления ) для наработки t (вероятность
отказа за наработку t ):
_ i ft _| —
J=1 J
где Nj - число работоспособных изделий до
j -го отказа в вариационном ряду.
Для планов [NUN], [NUr] и [NUT]
F(tj)=i/N; i<m.
Причем m=r для планов [NUr], [NMr], [NRr];
m-d для планов [NUT], [NMT], [NRT].
Затем вычисляют точечные оценки пока-
зателей надежности. Для планов [NMr] и
[NMT] выборочную оценку средней наработки
на отказ получают по формуле
T^s/m,
где s - суммарная наработка объектов за вре-
мя испытаний.
Выборочную оценку среднего времени
восстановления вычисляют по формуле
Л т
/=1
где /в/ - отдельные значения времени восста-
новления.
Точечную оценку коэффициента готовно-
сти вычисляют по формуле
^г=7Ь^7О + 7в^-
Оценка показателей надежности пара-
метрическими методами. Параметрические
методы оценки показателей надежности при-
меняют для экспоненциального, диффузион-
ных распределений, логарифмически нормаль-
ного распределения и распределения Вейбулла.
При этом проверку согласия опытного распре-
деления с теоретическим для случая испыта-
ний по плану [NUN] проводят по критериям
2
согласия (Колмогорова, Пирсона, 0) ).
Требования к технологическому обору-
дованию и режимы его работы, условия экс-
плуатации и технического обслуживания пока-
зывают. что основными критериями его на-
дежности являются безотказность и ремонто-
пригодность. В качестве нормируемых показа-
телей наиболее часто принимаются:
по безотказности - вероятность безот-
казной работы; интенсивность отказов; нара-
ботка на отказ:
по ремонтопригодности средняя опера-
тивная продолжительное г ь непланового теку-
щего ремонта.
В качестве комплексного показателя, ха-
рактеризующего надежность по безотказности
и ремонтопригодности, принимается коэффи-
циент готовности.
Оценка показателей надежности по ре-
зультатам испытаний проводится в соответст-
вии с методическими указаниями РД 50-690-89
«Методы оценки показателей надежности по
экспериментальным данным».
Под оценками показателей надежности
понимают точечную или интервальную (гра-
ницы доверительного интервала, который с
заданной вероятностью содержит истинное
значение показателя) оценки показателя. Дос-
товерность и точность оценки показателей
надежности оборудования определяется значе-
ниями доверительной вероятности и относи-
тельной доверительной погрешности. Для ма-
шин и агрегатов пищевых производств реко-
мендуется принимать доверительную вероят-
ность q = 0,9 и предельную относительную
погрешность <7 = 0,15.
Закон распределения времени работы из-
делия до отказа, выраженный в дифференци-
альной форме в виде плотности вероятности
/(х) или в интегральной форме в виде функ-
ции распределения , является полной
характеристикой надежности изделия. Поэтому
основной задачей исследования надежности
является выявление и математическое описа-
ние такого закона распределения , кото-
рый отражал бы с высокой степенью достовер-
ности объективную действительность.
Теория вероятностей дает широкий ас-
сортимент различных законов распределения
случайных величин, которые могут быть ис-
пользованы для решения задач надежности.
Для технических систем, деталей машин и
приборов, преобладающим механизмом отка-
зов которых являются многоцикловая уста-
лость, обусловленная периодическим процес-
сом нагружения, изнашивание, усталость и
86 Глава 3. ОСОБЕННОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ
коррозия, целесообразно использовать распре-
деление Вейбулла:
(3.47)
где a,b,t - коэффициенты Вейбулла.
Теоретической предпосылкой использо-
вания данного закона является то, что он при
изменении значений параметров может прини-
мать различный вид. Закон Вейбулла при ко-
эффициенте b = 1 превращается в экспоненци-
альный закон, при 6>1 он может быть близок
к нормальному, а при Ь = 2 получаем распре-
деление Релея. Закон обладает большой гибко-
стью и способен отражать разнообразные при-
чины отказов исследуемого оборудования.
Область работоспособности изделия в
представлениях //-мерного фазового про-
странства [14]. Границы действительной об-
ласти существования изделия G зависят от
требований к изделию. Более высокие требова-
ния к его выходным параметрам сужают об-
ласть G (рис. 3.9).
Следует различать действительную об-
ласть G, которая определяет требуемое каче-
ство изделия, и границу расчетной области G
существования изделия, которая диктуется
требованиями технических условий к отдель-
ным параметрам. Между этими областями, как
правило, имеется большее или меньшее разли-
чие, так как при оценке работоспособности
сложного изделия во многих случаях трудно
назначить предельное значение отдельных
параметров, определяющих предельное со-
стояние изделия в целом.
Рис. 3.9. Области работоспособности
и состояний изделия
В зависимости от соотношения границ G
и G может существовать область неисполь-
зованных возможностей А , когда по техниче-
скому условию изделие считается потерявшим
работоспособность, хотя оно еще может пра-
вильно функционировать, и область неучтен-
ных параметров В, когда согласно техническим
условиям можно эксплуатировать изделие,
которое в действительности уже стало нерабо-
тоспособным.
Процесс потери работоспособности ма-
шины характеризуется фазовой траекторией
случайного процесса X. Так, для процесса
z-го изделия при /=/3 считается, что
произошел отказ (согласно требований), а при
/ = /4 изделие действительно потеряло работо-
способность. Область состояний, т. е. область,
в которой могут с определенной вероятностью
находиться реализации процесса X(t}, опре-
деляет возможные состояния выходных пара-
метров: в общем виде вектор-функцией X(t} .
Для оценки возможного протекания слу-
чайного процесса в целом следует применять
соответствующие характеристики случайных
функций и, в первую очередь, математическое
ожидание которое дает оценку
того, как в среднем будет протекать процесс
потери изделием работоспособности.
Однако при решении задач еще большее
значение имеет выявление той части области
работоспособности Gy , в которую реализации
процесса попадают с заданной вероятностью
у : границы этой области очерчены реализа-
циями Ху и Ху (верхняя и нижняя границы).
3.3.4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ
ПРЕДЛАГАЕМЫХ ПОДХОДОВ
ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ НАДЕЖНОСТИ
Исследование надежности 25-ти устано-
вок для сушки меланжа типа А1-ФМУ, широко
используемой в пищевой промышленности,
было осуществлено методом эксплуатацион-
ных испытаний [19].
Анализ полученной информации, сведе-
ния об аналогах и опытные данные позволили
предположить, что плотность вероятности без-
отказной работы установки А1-ФМУ может
быть описана законом Вейбулла.
НАДЕЖНОСТЬ МАШИН И АГРЕГАТОВ
87
Данные об отказах (было зафиксировано
8606 отказов) систематизировались в виде ва-
риационного ряда. На рис. 3.10 показана гисто-
грамма распределения для каждого ин-
тервала Л/. Она подтверждает правомерность
принятой гипотезы о том, что распределение
времени безотказной работы подчиняется за-
кону Вейбулла.
При достаточной статистике (г = 25) па-
раметры а и b получаем методом последова-
тельных приближений решения уравнения
(3.47) относительно b . В результате расчета
искомая функция
z
Л'Н’035ЬУ ехР
^62,8 )
Проверку согласия распределения време-
ни безотказной работы, полученного по ре-
зультатам наблюдений с предполагаемым тео-
ретическим распределением, производили по
2
критерию Пирсона / , которая подтвердила
принятую гипотезу.
Для получения достоверной оценки на-
дежности машин и выбора наиболее рацио-
нальных путей ее повышения был проведен
анализ отказов деталей и сборочных единиц и
установлены объективные причины их возник-
f(t)
Рис. 3.10. Гистограмма и теоретическая функция
распределения времени f(t)
новения. На основании систематизированных
данных об отказах деталей и сборочных еди-
ниц гистограмму соотношения отказов От,
характеризующих долю (в %) отказов отдель-
ных элементов машин в общем потоке отказов
(рис. 3.11).
Относительную доверительную погреш-
ность показателей машины А1-ФМУ опреде-
ляли:
для показателя безопасности - по значе-
нию односторонней нижней доверительной
границы наработки на отказ;
для показателя ремонтопригодности - по
значению односторонней верхней доверитель-
ной границы среднего времени восстановле-
ния.
Рис. 3.11. Соотношение отказов От узлов и деталей установки для сушки меланжа марки А1-ФМУ:
I - форсунка; 2 - газораспределительное решето; 3 - отсасывающий вентилятор; 4 - паровые калориферы;
5 - воздуходувка; 6 - перекачивающий насос; 7 - верхние воздуховоды; 8 - вибратор; 9 - отбойная сетка;
10- рессоры вибратора; 11 - мембрана; 12 - сальники насоса-дозатора; 13 - гранулы инертного материала;
14 - шланги продуктоводов; 15 - НВА и КИП; 16 - паровой клапан; 17 - крепление продуктоводов;
18 - кронштейн крепления бачка; 79- смотровые стекла; 20- фильтр для продукта;
27 - охлаждающая рубашка продуктового бачка;
Э, К и Пр - отказы соответственно эксплуатационные, конструктивные и производственные
88 Глава 3. ОСОБЕННОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ
Точные оценки показателей надежности
следующие:
средняя наработка до отказа
Тсп=аГ 1 + - =62,8 Г 1+-- = 55,6;
ср э о
2,2
Ь)
где функция определяется по соответст-
вующим статистическим таблицам;
гамма-процентная наработка до отказа
|Д
71 =а\ -In——
у V юо
( 90 V^2’2
=62,8 -In----- =22,8 ч;
( 100J
вероятность безотказной работы за нара-
ботку t
p(t)=e*p
=ехр
Для определения доверительных границ
оценки показателей надежности вычисляем
параметр
= 1,1076.
Интервальные оценки наработки на отказ
следующие:
нижняя доверительная граница
^сон^спОЧнМЗ,9 ч;
Ср Н Ср у / 7 7
верхняя доверительная граница
71„в =7’сп(1 + ^в)=94,5 ч,
где ^н=-0,39 и ^в =0,70 определяются по
графикам, приведенным в соответствующей
статистической литературе, для доверительной
вероятности q =0,9, соответствующей дву-
стороннему доверительному интервалу и пара-
метру 0 = 1,076.
При доверительной вероятности q =0,8
значения коэффициентов =-0,25 и
=-0,85 и интервальные оценки показате-
ля, наработка на отказ соответственно равны
^спн-41,7 ч и TCD =63,9 ч.
Среднее время восстановления
1 п
?в =3,32 ч.
mi=l
Среднее квадратическое отклонение вре-
мени установления отказа
Значение односторонней верхней довери-
тельной границы показателя ремонтопригодно-
сти:
Tfeft =76+/Я_7==3,33 ч,
где tjn =1,013 - получено путем аппроксима-
ции при у = 0,9, п = пг-\ =8792-1= 8791 .
Относительная погрешность определения
показателя ремонтопригодности
<д=^1—^-=0,01 <5 = 0,15.
ТЬ
Коэффициент вариации
v=—=0,16<v=0,3; КГ = Т° =0,944 .
ТЬ то+тв
Коэффициент технического использова-
ния
Хти =-----—------= 0,938,
1.И п
Траб +
i=\
где Граб - среднее время работы одной маши-
п
ны за период наблюдений; - суммарная
/=1
продолжительность ремонтов машины за этот
же период наблюдений.
ВИБРОАКУСТИКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
89
Полученное значение коэффициента тех-
нического использования соответствует требо-
ваниям технической документации (по требо-
ваниям технических условий Кх и =0,92 ), что
подтверждает достаточно высокий уровень
ремонтопригодности машины.
Анализ классификации отказов взбиваль-
ной машины МВ-60, полученных в результате
эксплуатационных наблюдений [16, 17], по-
зволил разработать комплекс мероприятий по
повышению надежности наиболее слабых
деталей и сборочных единиц взбивальной
машины.
3.3.5. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ
ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ
В последние годы в области исследова-
ния надежности оборудования сформировались
направления, предполагающие переход от
оценки и прогнозирования надежности к изы-
сканию и разработке способов управления их
надежностными характеристиками по различ-
ным предельным состояниям машин [20, 21].
Основными элементами данного направления
являются:
синтез нагруженности механических сис-
тем с целью получения наиболее полной ин-
формации о всем спектре нагружения на ста-
дии проектирования по параметрам рабочего
процесса;
определение расчетных нагрузок в виде
эквивалентных с учетом скорректированной
гипотезы суммирования усталостных повреж-
дений, учитывающей обратные связи между
циклической нагруженностью, включая пико-
вые нагрузки, и накоплением усталости, при
широком диапазоне числа циклов, что при
выявлении нижнего расчетного значения пре-
дела выносливости позволяет снизить вероят-
ность разрушения деталей;
вероятностные оценки сопротивления ус-
талости деталей;
изыскание принципиально новых конст-
руктивных решений, обеспечивающих наряду с
высокой прочностью и конструкционной на-
дежностью высокую нагрузочную способность
по различным критериям, оптимизацию метал-
лоемкости и энергоемкости;
выбор оптимальной стратегии техниче-
ского обслуживания изделия в эксплуатации.
3.4. ВИБРОАКУСТИКА
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Шумовая характеристика машины -
объективный технический показатель парамет-
ров шума, изучаемого машиной при регламен-
тированных режимах ее работы и условиях
монтажа.
Под нормированием шумовых характе-
ристик машин понимают установление огра-
ничений на значения этих характеристик, при
которых шум, воздействующий на работаю-
щих, не должен превышать допустимых уров-
ней, регламентированных действующими са-
нитарными нормами и правилами. Нормирова-
ние шумовых характеристик машин имеет це-
лью обеспечение безопасных условий труда за
счет разработки и изготовления оборудования,
шумовые характеристики которого не превы-
шают нормативные значения. Нормативное
значение шумовой характеристики машины
называют предельно допустимой шумовой
характеристикой (ПДШХ) машины. ПДШХ
машин конкретного типа определяют расчет-
ным путем исходя из типовых условий их экс-
плуатации. Расчеты выполняют для всех случа-
ев практического применения машины, на кото-
рые существует разработанная в установленном
порядке типовая проектная документация.
ГОСТ 27409-97 устанавливает общие
правила по проведению нормирования шумо-
вых характеристик машин, порядок определе-
ния нормативных значений и их регламентации
в нормативно-технической документации на
машины, ГОСТ 12.1.003-83 - классификацию
шума, характеристики и допустимые уровни
шума на рабочих местах, общие требования к
защите от шума на рабочих местах, шумовым
характеристикам машин, механизмов и другого
оборудования и измерениям шума, ГОСТ
30530-97 - два метода расчета значений
ПДШХ машин: при равномерном размещении
в помещении однотипного оборудования и при
произвольном расположении машин различ-
ных типов. В первом случае расчет базируется
на принятом в ГОСТ 12.1.023 алгоритме, когда
совместное функционирование источников
звука учитывается с помощью двух интеграль-
ных параметров: поправки на групповую уста-
новку машин, значения которой определены
эмпирически, и поправки на акустические ха-
рактеристики помещения. Во втором случае
решают конкретную обратную задачу с учетом
схемы расположения оборудования и рабочих
мест в помещении.
90 Глава 3. ОСОБЕННОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ
3.4.1. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ
ВИБРО АКУСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
Для постановки общей задачи прогнози-
рования шумовых характеристик оборудования
на стадии проектирования необходимо по-
строение математических моделей, учитываю-
щих основные параметры оборудования, ре-
жимы работы, конструктивные особенности,
свойства обрабатываемого продукта, качество
сборки и монтажа. Учет всех этих факторов,
каждый из которых может изменяться в опре-
деленных пределах, приведет к значительному
разбросу конечных значений шумовых харак-
теристик, т.е. к снижению точности прогноза и
потере практической значимости результата.
Возможность получения многофакторных
моделей виброакустических характеристик
(ВАХ), основанных на эмпирических данных
конкретных машин, открывает перспективу
прогнозирования этих характеристик локаль-
ного характера [22, 23].
На выбор прогнозирующих методов су-
щественное влияние оказывает количество
исходной информации, которая, как правило,
сводится к незначительным (коротким) рядам
наблюдений [24]. Это обуславливает целесооб-
разность использования для прогнозирования
ВАХ адаптивных методов, которые включают
ряд математических моделей двух типов [25]:
модели авторегрессии-скользящего среднего
[26] и модели динамической регрессии [27].
Модели авторегрессии-скользящего
среднего. Ряд значений ВАХ представляется в
виде линейной комбинации прошлых значений
последовательных случайных и независимых
скачков at, называемых белым шумом, имею-
щих нулевое математическое ожидание и дис-
2
Персию а [26]. Коэффициенты уравнения -
переменные во времени t, а свободный член
АСр имеет смысл среднего значения ВАХ:
= + at + Ф1 at-\ +V'lat-2 +••• ’
где 1|>1, 1|>2 , ••• “ параметры ряда, не завися-
щие от времени и характеризующие веса ли-
нейного процесса.
Для прогнозирования ВАХ машин ис-
пользуются временные ряды наблюдений
уровней звуковой мощности, звукового давле-
ния и звука, виброскорости и виброускорения,
полученные по результатам эксперимента. Ряд
значений ВАХ исследуется на стационарность.
Нестандартные ряды трансформируются в ста-
ционарные путем перехода к последователь-
ным разностям первого или второго порядка:
Wt=Lt-Lt^, Wt = Lt-2 Lt_\ + Lt_2,
где Lt - значение исходного ряда; Wt - пре-
образованное значение ряда.
Часто исследуют не реальные значения
ряда, а их отклонения от среднего. Для стацио-
нарного ряда строится прогнозирующая мо-
дель. Для прогнозирования используются сле-
дующие модели.
Авторегрессионная модель АР^р}. Те-
кущее значение ВАХ выражается через конеч-
ную линейную комбинацию процесса Lt и
величину at:
Ц = Ф1 Lt-\ + Ф14-2 + — + Фр^-р +at-
Значения р 4-1 неизвестных параметров
2
ТСр ’ Ф1 ’ Ф2 ’ •••’ Фр ’ дисперсия и опреде-
ляются по неизвестному ряду ВАХ оборудова-
ния.
Модель скользящего среднего
Прогнозируемое значение зависит от конечно-
го числа q предыдущих значений at:
Lt =at -Q\at_\ -Q2at_2-.--Qqa^q .
Модель содержит q 4- 2 неизвестных па-
раметра Q{, Q2,Qq , ст2.
В обеих моделях АР(р) и CC(q) порядок
разности для практических целей не превыша-
ет двух.
Смешанная модель АРСС(р, q). В ней ис-
пользуются авторегрессионные члены и члены
скользящего среднего
£ at -Qlat-2 ---Qqat-q
(p]Az_|+<P2^/-2+--+Ф pLt-p+at
Нестационарная (интегрированная) мо-
дель АРИСС(р, a, q). Она преобразуется в ста-
ционарную путем взятия от исходного ряда
соответствующего порядка разности d:
' Ф|^-1 +Ф2^/-2 +-+<Pp^t-p + at
ВИБРОАКУСТИКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
91
Выбор структуры модели заключается в
установлении соответствия ряда и модели с
близкими автокорреляционными свойствами.
Выбор и привязка модели осуществляются
путем идентификации, оценки и диагностиче-
ской проверки модели. В результате идентифи-
кации получаем конкретную структуру модели
с указанием порядка разности.
Оценка модели заключается в получении
численных значений ее параметров в предпо-
ложении адекватности модели прогнозируемо-
му ряду ВАХ. Параметры модели находят пу-
тем минимизации суммы квадратов погрешно-
стей прогноза на шаг вперед методом наи-
меньших квадратов итеративным способом.
Диагностическую проверку адекватности мо-
дели изучаемому процессу проводят путем
анализа значений автокорреляционных коэф-
фициентов, а также путем вычисления крите-
рия Бокса-Пирса 0 и сравнения его с распре-
делением / • После выполнения этих проце-
дур модель можно использовать для прогноза и
расчета стандартных погрешностей.
Программа прогноза по методу Бокса-
Дженкинса реализована на персональном
компьютере для прогнозирования ВАХ
технологического оборудования [22].
Например, для прогнозирования шумовых
характеристик овощерезок типа МРО было
изучено 15 моделей для временных рядов по
корректированному уровню и уровням
звуковой мощности в октавных полосах частот.
Использовались временные ряды из 25 точек.
Оптимальная модель выбиралась по
минимальной сумме квадратов погрешностей
прогноза на шаг вперед ^/zz2 .
Для машины МР050-200 прогнозирова-
лись шумовые характеристики по корректиро-
ванному уровню Lpa и уровням звуковой
мощности Lp в октавных полосах частот
63...8000 Гц на пять шагов вперед. Лучшие
модели приведены в табл. 3.3. Их анализ сви-
детельствует о различной степени адекватно-
сти модели прогнозируемому процессу, кото-
3.3. Модели прогноза шумовых характеристик овощерезки МРО 50-200
Вид прогнозирующей функции, £/+] * Модель Критерий Бокса-Пирса, 0 К
£^=(0,79410,14)1, АРИСС (1,0,0) 17,9 56,6
Lp6i =(0,891±0,1)£, АРИСС (1,0,0) 11,7 68,5
Lpi25 =Lt +(0,0'98+0,228)(£, -£м ) АРИСС (1,1,0) 28,8 26,1
Lp 25О =(0,662±0,17)£, АРИСС (1,0,0) 18,9 151
£г500 =£, +(0,058510,229)(£, -£м) АРИСС (1,1,0) 11,1 198,8
^юоо =^г +(-0,42910,207)(£, -Lt_\ ) АРИСС (1,1,0) 14,0 32,6
Lp2000 =(-03991 0,22)(£,-L,_!) АРИСС (0,0,1) 12,3 30,5
i/,4000 =(o,69210,16)£, АРИСС (1,0,0) 16,1 59,9
^/?8ooo = (0,688±0,16)£z АРИСС (1,0,0) 11,4 243,6
* В скобках указаны доверительные границы пргноза.
92 Глава 3. ОСОБЕННОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ
рая зависит от характера дисперсии исходного
ряда шумовых характеристик. Модели худшего
качества получены для уровней звуковой мощ-
ности в октавных полосах частот: низких 125 и
250 Гц, высокой 4000 Гц. Полученные модели
образуют различный уровень погрешностей
прогноза, который не коррелируется с величи-
ной 0. Наиболее высокую точность прогноза
обеспечивают модели ^р250’ ^/?500’
^/>8000 •
В целом достоверность прогноза удовле-
творительная на пять шагов вперед. С возрас-
танием глубины прогноза стандартные по-
грешности прогноза возрастают и возникает
опасность потери практической значимости
результата. Для улучшения свойств прогнози-
рующих моделей целесообразно увеличивать
объем выборок.
Анализ полученных моделей свидетель-
ствует о том, что шумовые характеристики
машины МР050-200 имеют тенденцию к сни-
жению по корректированному уровню звука и
уровням звуковой мощности на низких и сред-
них частотах, а на высоких - возможно их
ухудшение.
Таким образом, использование моделей
авторегрессии-скользящего среднего целесо-
образно для оценки общей тенденции прогно-
зирования изменения ВАХ машин. Наиболь-
шая эффективность достигается при длинных
рядах исходных значений шумовых характери-
стик.
Модели динамической регрессии. В ос-
нову метода положено уравнение динамиче-
ской регрессии [27], включающее детермини-
рованную и стохастическую части, а также в
общем случае - члены исходного ряда с запаз-
дыванием:
Ц =(P|^/-I + <Р2^г-2 + ••• + ФЗ Lt-3 +
к
<=1
где , Lt_2, Az_3 - значения шумовых
характеристик, запаздывающие на один, два и
три (шага) периода времени t; <pj, q>2 > Фз “
коэффициенты регрессии.
Детерминированная часть представлена
суммой произведений коэффициентов bt на
переменную Lt. В качестве переменной Lt
могут быть приняты величины факторов,
влияющих на прогнозируемую ВАХ Lt . Сто-
хастическая часть модели Ut учитывает про-
цесс возникновения погрешности, определяе-
мой уравнением
Ut-pit/,-1 -P2tZz-2=vz + 7vz-l-
где у t - случайные независимо и нормально
распределенные переменные с нулевыми сред-
ними значениями и общей дисперсией; pz,
j - авторегрессионные параметры.
Уравнение регрессии в технических при-
ложениях представлено двумя видами: АР и
АРМА. Программа АР позволяет оценивать
параметры регрессионных моделей при четы-
рех вариантах спецификации погрешностей:
1) OLS - обычный метод наименьших
квадратов (МНК), I7z-vz, т.е. погрешности
предполагаются случайными и независимыми,
Р1 =Р2 =7=0;
2) С-0 - итеративный метод, погреш-
ность описывается стационарным авторегрес-
сионным процессом первого порядка с фикси-
рованными начальными значениями зависимой
переменной
р2=У=0; Ut-p!t/z_| = VZ;
3) АР-1 - погрешность описывается ста-
ционарным авторегрессионным процессом
первого порядка со стохастическим начальным
значением
р2 =7=0; Ut -p|t/z_| =vz;
4) AP2 - погрешность описывается ста-
ционарным авторегрессионным процессом
второго порядка со стохастическими началь-
ными значениями
7=0; Ut -p{Ut_x -p2Ut-2 =vt
Программа АРМА позволяет проводить
оценку при трех вариантах спецификации слу-
чайного процесса погрешностей:
1)OLS;
2) МА - погрешность описывается слу-
чайным процессом первого порядка со сколь-
зящим средним СС( 1)
Pi =Р2 =о; Ut=vt+jvt^-,
ВИБРОАКУСТИКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
93
3) АРМА - погрешность описывается
стационарным случайным авторегрессионным
процессом первого порядка со скользящим
средним АРСС( 1,1)
р2=0; U'-piU^Vf+jV'-i.
Для оценки качества построенной модели
вычисляются следующие статистические пара-
метры.
1. ZIGMA - стандартная погрешность для
скорректированных остатков
ZlGMA="fa2 =Щь, -Д )/(п-АГр) ,
V Г=1
2
где G - оценка дисперсий V t ; Lt - факти-
ческие значения шумовых характеристик; Lt -
вычисленные значения шумовых характери-
стик; п - число точек для оценки; - число
коэффициентов регрессии fy, /=1, .
2. Z - отношения коэффициентов рег-
рессии:
Z,=^/se(^),
где se^j=^V^~ - стандартные погрешности
коэффициентов регрессии; - ковариацион-
ная матрица для ;
Чем больше Z; - отношение для конкретного
коэффициента регрессии 9 тем более знача-
щим является этот коэффициент.
3. R - черта-квадрат - квадрат коэф-
фициента множественной корреляции, осно-
ванный на G:
R2 =(1-о/5Г)2,
где 5У - стандартная погрешность для зави-
симой переменной.
Статистика R должна стремиться к
единице. Она характеризует степень линейно-
сти (тесноту линейной связи) в построенной
модели.
4. Лог-правдоподобие представляет собой
величину, пропорциональную максимальному
значению логарифмической функции правдо-
подобия рассматриваемой модели:
L^=-“l°g(o2)-
1 п
t=2
где С - константа.
Оценивание по методу Песарана - Слей-
тер происходит путем получения точных МП-
оценок коэффициентов регрессии, т.е. оценок
максимального правдоподобия, в то время как
процедура Бокса - Дженкинса дает только
приближение к МП-оценкам.
5. Условные математические ожидания
зависимой переменной представляют собой
оценки математических ожиданий для Lt ,
условных относительно всех предыдущих зна-
чений Lt и объясняющих переменных L7-r.
6. Коэффициент неравенства Тейла вы-
числяется как отношение корня из суммы
квадратов погрешностей прогноза к сумме
корней из сумм квадратов прогнозируемых и
фактических значений:
(3.48)
где Lt+n - фактическое значение переменной
для прогнозируемого периода, f = l; р,рп -
длина интервала прогноза; Lt+n - соответст-
вующее прогнозируемое значение.
Данный коэффициент изменяется от 0 до
1; если Т =0 , то прогноз хорош, если Т=1,
то очень плох.
2
7. Статистика^ для тестов отношения
правдоподобия. Вычисляется в конце работы
программ АР и АРМА:
94 Глава 3. ОСОБЕННОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ
2
АР - X Для случайного процесса АР( 1)
относительно неавтокоррелированного (МНК);
2
X - для случайного процесса АР(2) относи-
тельно АР( 1);
2
АРМА - х для СС(1) относительно не-
2
автокоррелированного (МНК); х Для
АРСС(1,1) относительно неавтокоррелирован-
2
ного (МНК); х Для АРСС(1,1) относительно
СС(1).
2
Сравнение статистик х Для различных
спецификаций погрешностей в программах АР
и АРМА позволяет отдать предпочтение тому
2
варианту спецификаций, статистика х кото-
рого имеет большое значение. Количество ис-
ходной информации - не менее 12.
Модели динамической регрессии исполь-
зованы для прогнозирования шумовых харак-
теристик ряда представительных образцов тех-
нологического оборудования [26]. Прогнози-
ровались корректированный уровень и уровни
звуковой мощности машин. Отбор оптималь-
ных моделей проводится по лучшим статисти-
ческим параметрам а, 7? 2 и Т .
Модели прогноза шумовых характеристик кар-
тофелечисток типа МОК-350 приведены ниже.
LPA = 82,037-0,0937,/ + 0,5328v_! + v;
£р125 =89,51-0,1 \Lt + 0,6196v_j + v;
£p250 =78,69-2,83А/ +0,7896/7_) + 0,68v_! +v ;
7^500 =79,51-0,087,/ + 0,70827/_! + 0,2965v4 + v;
(3.49)
7,^1000 =75,53-0,111/ +0,78847/_! +0,0513v4 +v;
Lp2ooo =70,23-0,067,/ + 0,833977_। + 0,0239v_j +v ;
T,p4ooo =65,85-0,197,/ + 0,653v_| +v ;
7,^8000 = 58,93 - 0,157,/ 4-0,7464С/_) + 0,1016v_j +v .
Кроме одномерных моделей, в которых в каче-
стве объясняющей переменной используются преды-
дущие значения шумовых характеристик модернизи-
рованной машины, модели динамической регрессии
позволяют получить и многомерные прогнозирую-
щие модели по корректированному уровню звуковой
мощности машины. В этом случае в исходную ин-
формацию в детерминированной части модели вво-
дятся значения октавных уровней звуковой мощно-
сти как слагаемые объясняющей переменной. Путем
перебора вариантов отбираются модели, имеющие
лучшие оценки статистических параметров.
Таким образом, получена прогнозирующая
модель корректированного уровня звуковой мощно-
сти картофелечисток типа МОК вида СС(1):
ЬРА =82,899-0,06717,7J +
+0,0167,^250 “0,4077,^500 +
+0,4197,^)000 “0,0331^8000 +
+0,4728v_1.+v. (3.50)
Сравнивая оценки аналогичных моделей LpA
(3.49) и (3.50) отметим, что наибольшая погрешность
прогноза в п для многомерной модели уменьшилась
с 1,81 до 0,56 дБА, коэффициента неравенства Тейла
с 0,0068 до 0,0026, а квадрат коэффициента множе-
ственной корреляции увеличился с 0,5 до 0,73.
Прогноз корректированного уровня звуковой
мощности модернизируемой машины на пять шагов
вперед по модели (3.50) показал, что его значения
имеют тенденцию к снижению до 78,5. .79,5 дБА.
Оптимальные модели прогноза шумовых ха-
рактеристик модернизации измельчительного обору-
дования для мясорубки типа МИМ-250 имеют вид:
ВИБРОАКУСТИКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
95
4 LPA =85,102-0,737£/Л +0,49v_1 + v ;
Lp63 = 68,879-0,418£/63 +0,08v_1 + v + 0,532t/_! ;
£pl25 =81,779-0,739£n25 + 0,249v_| + у + О,5ОЗ^_! ;
£p25O =82,89-1,073£/250 + 0,187v_! +v + 0,42£/_j ;
Lp5oo =85,755 — 0,873 L( 500 + 0,044v_] 4- v + 0,604 *
£piooo = 80,105-0,953 £/1000 +0,14v_] +v + 0,587£/_|;
£Г2000 =73,653-1,099£/2OOo +0,497v_j + v ;
£p4ooo =66,133-0,845£/4OOo + 0,166v_! + v + 0,456£Li;
^/?8ooo =63,258-1,378£/8OOo + 0,426v_j +v ;
LPA — 41,401 — 0,103 £/^4 —0,58£p25o +O,233£p5oo +
+0,266£p|ooo + O,721£p2000 —0,169v_j + v + 0,776(7_|.
Полученные модели прогнозируют улучшение
шумовых характеристик машины на 8...9 дБА по
корректированному уровню звуковой мощности, на
низких частотах на 5...6 дБ, на средних - 7...9 дБ и на
высоких - до 16 дБ.
Модели прогноза шумовых характеристик для
хлеборезки типа МХР-200М имеют вид:
LPA = 95,264-1,173 £//4 +0,062v_1 + v + 0,586^_j;
£р63 =65,149-0,163£/63 +0,459v_1 + v;
£р125 =77,174-0,736£/125 + 0,398v_1 +v ;
£р250 =86,834-0,924£/250 + 0,147v_j +v + 0,546t/_!;
£р5оо =93,693-1,281£/500 - 0,117v_j +v + 0,56W_!;
ipiooo =92,40-1,22£/1000 +0(23v_! +v+0,635t/_1;
^2000 =90,978-1,481,2000 +0,8211v_] +v ;
£p4Ooo =82,219-1,713£(4000 + 0,018v_! +v + 0,61t7_];
ip8ooo =73,058-1,564£,g000 - 0,064v_, +v+0,666l/_j;
Lpa =22,583-0,258£(Л +O,253£p25o +0,0021£p500 -
-O,161£/,1000 +O,405£p2000 -O,943v_1+V.
96 Глава 3. ОСОБЕННОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ
Модели прогнозируют снижение уровня шума
машины при ее модернизации на 10... 12 дБА, по
уровню звуковой мощности на низких частотах - на
6...8 дБ, средних частотах - на 10... 13 дБ и высоких
частотах - до 13 дБ.
Прогнозирующие модели среди месильно-
перемешивающего оборудования представлены для
взбивальной машины типа МВ-35М:
Lpa =98,162-0,223LtA -0,03у_) +v ;
Lp63 =69,188-0,173Lt63-0,664^ +v ;
£pl25 =82,084-0,193£/125 -0,93v_j + v-0.238L/_];
Lp25O = 90,162-0,188£,250 -0,95v_j +v-0,621 10_j ;
£p500 = 96,517-0,170£z500 -0,086v_j +v ;
(3.53)
£р1000 = 94,523-0,26 £zl000 -0,947v4 + v + 0,4893£/_] ;
^/?2ooo -89,507-0,35£z2OOO -0,018v_j +v ;
£p4000 = 84,255-0,339£z4000 -0,3072v_! + v + 0,171(/_] ;
^8000 =74,Ю7-0,331Z.(8000 -0.948V-J+v-0,695G_| ;
Lpa = 57,393-0,081/^ -0,047-0,071 Lr500 -
-0,486Др|0оо +0,263/,^ooo -0,2И/,4000 - 0,939v_, + v + 0.389t/_,.
Модели (3.53) прогнозируют снижение кор-
ректированного уровня звуковой мощности при
модернизации машины на 2...3 дБА, аналогичный
прогноз по средним частотам уровней звуковой
мощности, на низких частотах улучшения шумовых
характеристик не ожидается, а на высоких частотах
предполагается ее уменьшение на 3...4 дБ.
Уравнения (3.49) - (3.53), описывающие
прогнозирующие модели шумовых характери-
стик уровней звуковой мощности модерниза-
ции отдельных видов машин, являются линей-
ными. В обобщенном виде для технологиче-
ского оборудования прогнозирующие модели
шумовых характеристик уровней звуковой
мощности можно записать в матричной форме:
Lp63 Lpl25 — <а01а11а12 ' а02а21 а22 ' Ll63Ut63 Lll25Ut\25
^/>8000, <а08а81а82, <^8000^/8000 ,
в компактном виде система уравнений
запишется в виде
Лр, = ALtiU{11.
При использовании прогностических мо-
делей [28], построенных на базе динамической
регрессии, следует учитывать:
одномерные прогностические модели не
всегда могут быть использованы для прогнози-
рования;
качество моделей улучшается введением
в детерминированную часть параметра Lt во
второй или третьей степени;
многомерные модели улучшаются при
использовании в них результатов прогнозиро-
вания одномерными моделями;
погрешность прогноза снижает увеличе-
ние интервала оценивания модели.
Для прогнозирования шумовых характе-
ристик технологического оборудования целе-
сообразно использовать математические моде-
ВИБРО АКУСТИК А ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
97
ли авторегрессии: скользящего среднего и ди-
намической регрессии. При коротких рядах
исходной информации (не менее 12) мини-
мальные ошибки прогноза обеспечивают мо-
дели динамической регрессии.
Статистическая модель. Для кинемати-
чески подобного технологического оборудова-
ния возможно применение не только адаптив-
ных моделей прогнозирования ВАХ, но и ста-
тистических моделей, основанных на регрес-
сионных моделях. Исходными данными для
таких моделей служат статистические данные
об основных параметрах подобного оборудо-
вания. Модель представляется в виде степен-
ной функции, которая включает произведение
параметров машины в соответствующих степе-
нях и коэффициент статистического подобия.
Параметрами, влияющими на ВАХ, явля-
ются: расходуемая мощность электродвигате-
ля, масса, основные частоты вращения валов,
передаточные числа передач, высота центра
массы машины и другие параметры. Показате-
ли степени рассчитываются с помощью стан-
дартной программы REGRE, а коэффициент
статистического подобия для каждого типа
оборудования - как отношение ВАХ, к произ-
ведению параметров в соответствующих сте-
пенях.
Такая методика использована для прогно-
зирования шумовых характеристик очисти-
тельного и измельчительного технологическо-
го оборудования общественного питания, ки-
нематика которого включает электродвигатель
и клиноременную передачу на рабочий орган.
Объем выборки составил 26 типоразмеров обо-
рудования. Модель устанавливает зависимость
корректированного уровня звуковой мощно-
сти, излучаемого оборудованием Lp^ от уста-
новленной мощности электродвигателя 2V
(кВт), массы машины М (кг), передаточного
числа механических передач к рабочему орга-
ну /, частоты вращения рабочего органа Р, с-1,
половины высоты машины Н (близка к высоте
центра массы машины, м):
LPA=KN~nM~mriPpHh +10lg—,
So
где К - коэффициент статистического подобия;
т. и, /, р, h - показатели степени соответст-
вующих параметров; Sn - площадь измери-
- 2
тельной поверхности источника шума, м ;
$0 =1 м2.
Для расчета К и показателей степеней ис-
пользовалась степенная функция программы
REGRE: т = 4,653; п = 7,075; / = 4,357;
р = 4,936; h = 2,061. Для картофелечисток
МОК-125, МОК-250 и МОК-400 величина К
соответственно равна 1,490 109; 2,036 • 108;
2,7791 • 108; для овощерезок типа МРО-350 и
МРО 400-1000 - 1,926 107 и 4,133 • 104; для
протирочной машины 1.672 I04. Коэффициент
корреляции модели составил 0,67...0,79, сред-
нее квадратическое отклонение 0,24...0,31 дБА.
Предлагаемая статистическая модель позволя-
ет прогнозировать ВАХ на основе параметров
этого оборудования.
В заключение следует отметить.
Методика прогнозирования ВАХ техно-
логического оборудования позволяет научно
обосновать их выбор на стадии проектирова-
ния нового оборудования или его модерниза-
ции, при разработке нормативно-технологи-
ческой документации и стандартов.
Адаптивные прогнозирующие модели це-
лесообразно использовать при наличии ин-
формации об известных значениях ВАХ: для
длинных рядов наблюдений - модели авторег-
рессии-скользящего среднего; при коротких
(12 и более) - модели динамической регрессии.
Последние обладают меньшей ошибкой про-
гноза. При отсутствии информации рекоменду-
ется применять статистические модели, но
лишь для кинематически подобного оборудо-
вания.
3.4.2. РАСЧЕТ
ШУМОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
На стадии конструирования оборудова-
ния при разработке технического проекта воз-
никает необходимость расчета его шумовых
характеристик исходя из конкретных геомет-
рических, кинематических, динамических,
акустических и технологических параметров
машины.
Шумовые характеристики типовых эле-
ментов машин в достаточной степени изучены
и получены математические модели, адекватно
описывающие процессы их формирования и
позволяющие рассчитать их аналитически.
Однако расчет шумовых характеристик маши-
ны в целом на базе синтеза этих элементов не
дает пока практически значимого результата.
Это связано с тем, что виброакустические про-
4 — 8434
98 Глава 3. ОСОБЕННОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ
цессы в технологической машине намного
сложнее, чем в ее элементах, а кроме того, до-
бавляются виброакустические процессы взаи-
модействия рабочего органа с продуктом, ко-
торые являются специфическими для каждого
типа оборудования. Поэтому разработка общей
для всего оборудования пищевых производств
методики расчета шумовых характеристик в
настоящее время не представляется возмож-
ной, тем более ее стандартизация.
Предложенная ниже методика разработа-
на на основе синтеза динамических и акусти-
ческих моделей технологического оборудова-
ния с учетом особенностей рабочих процессов
эмпирическими моделями излучения шума [30,
31].
Расчет включает ряд этапов.
1. Выбор и обоснование динамической
(эквивалентной) схемы машины в соответст-
вии с известными методиками [32, 33]. Дина-
мические схемы для наиболее распространен-
ного оборудования общественного питания
приведены в работе [34].
2. Расчет параметров динамической
системы - массы, моментов инерции, коэффи-
циентов жесткости и демпфирования. При по-
нижении порядка динамической системы, при-
ведение ее к одномассовой или двухмассовой -
расчет приведенных масс, моментов инерции и
коэффициентов жесткости.
3. Расчет передаточной функции виброа-
кустической системы (ВАС) [31]: одномассо-
вой и двухмассовой.
Передаточная функция одномассовой
ВАС
Е1 =----------. ° - -.., (3.54)
хоютрс \^/Рс)* 2 * 4 * *^2
где Pq - амплитуда возмущающей силы, Н;
Xq - начальное перемещение центра массы;
со - круговая частота вынужденных колеба-
ний; рс - круговая частота собственных коле-
бании, с1: т - масса, кг; у — коэффициент
демпфирования.
Передаточная функция двухмассовой
ВАС определяется для каждой массы. В каче-
стве принимается отклонение центра массы
от начала координат в статическом положении.
Для первой массы пц
р2\ =~(с2 ~т2^2 • (3.55)
V 7
Для второй массы m2
р
£22 =— (с20); (3.56)
*0
(q + с2 -лИ|СО2)(с2 -AH2w2)-c2
(3.57)
где q , с2 - коэффициенты жесткости соот-
ветственно первой и второй масс, Н/м.
Амплитуда возмущающей силы оп-
ределяется как отношение максимального
вращающего (крутящего) момента электродви-
гателя к радиусу его приложения на шкиве или
шестерне, насаженной на вал.
4. Расчет мощности излучения плоской
стенкой корпуса технологической машины
включает определение критической частоты
(Гц) совпадения изгибных колебаний пластины
и воздуха:
где Cq - скорость звука в воздухе; hi} - тол-
щина стенки корпуса, м; сИ - скорость изгиб-
ных колебаний в стенке корпуса, м/с.
Для наиболее распространенных толщин
hn стальных стенок корпусов оборудования
величина /кр приведена ниже:
hn, м................ 0,001 0,002 0,003
/кр-Ги........ 12690 6345 4230
0,004 0,005 0,006 0,008 0,01
3172 2538 2115 1586 1269
ВИБРОАКУСТИКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
99
Мощность излучения при /</кр на низ-
ких и средних частотах для одномассовой ВАС
Мощность излучения на высоких часто-
тах для одномассовой ВАС
'4,01 =
р€-О^в^2^О2П
2«2РсХо
[1-/0 (м)].
2
VCqPq 1[12У]
4т2 р2 '/ ч2 I СО ) 2 — +Г l/’c J
(3.63)
(3.59)
для многомассовой
где р - плотность воздуха, кг/м3; Къ - волно-
вое число; /| и /2 - размеры стенки корпуса,
м; Т| - коэффициент потерь колебательной
энергии; /д - функция Бесселя нулевого по-
рядка первого рода.
Для многомассовой ВАС
Nn02~
рс0 Кв /(/2 Ро2 mj со2 ejp2, -со2 )2 т]
2Хо
X
xfl-Zop^)]. (3.60)
Волновое число изгибных колебаний корпуса
машины на критической частоте
Ь=Л/«; <3.6!,
12Рп(1-ц2)
где рп - плотность стенки корпуса, кг/м3;
Еу - модуль упругости материала стенки кор-
пуса.
Первая резонансная частота
/’с21=^/«г2 >
вторая
2 mlc2+m2ci+m2C2 .
Рс2 ~----Z *
1т\т2
! (т^+т^+т^)2 qc2
у т^т2
где рп и Цп - соответственно плотность и
коэффициент Пуассона материала стенки кор-
пуса.
2
^п2 =О,25рсо Рот2 со2 О2 (/?2! -со2) /[ /2 г|.
Мощность излучения при />/кр на
низких частотах при Хо < К в '
для одномассовой системы
/ \2
P^2Xo'wi2 — +Y2 ПМг
(Рс )
/vKtI =-------1—2--------------; (3-64)
4лшусо
для многомассовых систем
А, _ P^21XoV2n
N кп2 “-------------------’
4nmycom2 (Pci 02
где Шу - удельная масса стенки корпуса, от-
несенная к ее площади.
На высоких частотах Хо « К в '
для одномассовых систем
г-2 2 2 2 El Хот Рс КТ , — ' (О >РС > 2 +Y2 со1 ’5/1/2Л
^кп1 “ 8шу< а
для многомассовых систем
^21ХоМ2П
2 2/ 2 2 Х2, I—
1дс|-со ) л/со
На критической частоте Хо = ^в ’•
для одномассовых систем
2
E\xlm2 р1 СО -у2 /,/2П
> р
8шуах/со 1 + р2
4*
100 Глава 3. ОСОБЕННОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ
для многомассовых систем
w _ £21x0/1/2 ₽
77 кп2 “------------------5--------’
8ту/И2а62(/7с1 _(°2) V® 1 + ^
2лрс0/?2Р02<уиТ| (3.65)
1 ’ Ml ~ 2 2 т рс '( А2 1 (0 1 2 — +Y ]
СО/Иу
5. Расчет мощности излучения цилиндри-
ческим корпусом технологической машины
(/?ц - наружный радиус цилиндрического
корпуса, м; /ц - длина корпуса, м). Для одно-
массовой ВАС при K^R^<\
для многомассовой ВАС
/Ум2 ~2лрс()/?2 Р02 /?/3(о202 х
х(р2-(02) ОИГ|, (3.66)
где R - радиус сферы, м; ои - коэффициент
излучения
£в2/?2
1 + Л'2/?2
(3.67)
для многомассовой ВАС
х(/’с2 -®2)п
При »1:
для одномассовой ВАС
7. Расчет шумовых характеристик тех-
нологического оборудования. Общую звуко-
вую мощность излучения технологического
оборудования в октавных полосах частот Nj
определяем как сумму мощностей излучения
корпусом машины и внутренними источника-
ми шума.
Расчетный уровень звуковой мощности
(дБ) в октавной полосе частот
Lpij=\0(lgNj+l2). (3.68)
/Уц1 =
2 2
рс
О,5лрсо/цЯцРо2Т1
(0 | 2
— + Y
[Рс )
для многомассовой ВАС
N& =О,5лрсо/ц/Св3/?^о2"'22®202 х
х(рс1 -®2)2 П •
6. Расчет мощности излучения внутрен-
них источников шума в октавных полосах час-
тот приведен ниже. Для одномассовой ВАС
Относительная погрешность расчета по
отношению к фактическим значениям шумо-
вых характеристик, установленных экспери-
ментально, %,
|Д1.|=(тс£™|00
Lpj
Корректированный уровень звуковой
мощности
1
где Кд - частотная корреляция по характери-
стике А, дБА, приведена ниже.
Среднегеометрические час-
тоты октавных полос, Гц 63 125
/Сл,дБ.................... 25 16
250 500 1000 2000 4000 8000
9 3 0 -1 -11
ВИБРОАКУСТИКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
101
Пример расчета шумовой характеристики
мясорубки МИМ-300. Исходные данные: масса
машины 55 кг, электродвигатель мощностью 1,5 кВт
с частотой вращения 1410 мин-1, частота вращения
рабочего органа 252,69 мин1. Размер стенки корпуса
0,5 х 0,4x0,001 м.
Расчет параметров динамической системы: ди-
намическая (эквивалентная) схема представляется в
виде двухмассовой системы [34]. В качестве первой
массы рассматривается масса вала ротора электро-
двигателя с насаженной на него шестерней ( q = 24 ,
пц =0,74 кг), в качестве второй - сумма масс зуб-
чатого колеса (z2 =134) с валом редуктора, шнека
и ножей (ш2 =2,85 кг).
Амплитуда возмущающей силы, создаваемой
электродвигателем машины в рабочем режиме на
радиусе ее приложения Rc =0,025 м,
9750 1,5
1410 0,025
= 414,89 Н.
По осциллограмме максимальная мощность,
расходуемая в процессе работы мясорубки при реза-
нии говяжьего мяса, 1,45 кВт. Фактическое значение
PQ = 401,06 Н.
Коэффициент жесткости первого упругого
элемента определяется как для двухопорной балки с
консолью [33]:
3£у/ 3-2-1010-8,1 -10’8
q =---------=---------------------=
(b+f)b2 (0,08+0,17)(0,08)2
= 3,04 10б Н/м,
где Еу - модуль упругости стали, Н/м2; / - момент
инерции сечения балки; I - расстояние между опо-
рами, м; b - длина консоли, м.
Коэффициент жесткости второго элемента
с2 =800 Н/м - удельное сопротивление резанию
мяса [35]. Частота вынужденных колебаний ВАС
147,58 с
Расчет передаточной функции ВАС по (3.57)
в=[(з,04-106 +800-7,4-147,582)х
х(800-28,5-147,582)-8002 ] ' =
= 5,6 10 13 м2/Н2.
Принимая начальную амплитуду перемещения
за единицу, имеем передаточную функцию:
первой массы по (3.55)
Е21 =414,89^800-28,5 147,582jx
х6,6-10 13 =14,4-10~5 ;
второй массы по (3.56)
Е22 =414,89-800 5,6 IO13 = 18,5 10“8.
В связи с тем, что величина Е22 в ^00 Раз
меньше Е21 , в дальнейших расчетах ею пренебре-
гают.
Для расчета мощности излучения плоским
корпусом по формуле (3.58) определяется критиче-
ская частота /кр . Критическая частота колебаний
корпуса машины толщиной 0,001 м составляет
12,69 кГц. В октавных полосах частот 63...8000 Гц
колебания корпуса будут проходить в докритической
области.
Мощность (Вт) излучения плоским корпусом
машины на низких октавных полосах частот по (3.60)
Wn02 =1,293 344 0,5-0,4-414,892 х
х2,852 со2 (5,6 10-13)2 (16.7542 -со2)х
х2/о2 П(1-/О 0,5Ев),
где плотность воздуха р = 1,293 кг/м3, /| =0,5 м,
/2 =0,4 м. Волновое число Къ принимается по
табл. 3.4.
3.4. Параметры звуковой волны в воздухе
Параметры Среднегеометрические частоты октавных полос, Гц
31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
V, м 10,92 5,46 2,75 1,87 0,68 0,34 0,17 0,086 0,043
К' 0,575 1,15 2,28 4,58 9,24 18,47 36,94 73,02 146,05
X - длина звуковой волны в воздухе, м.
102 Глава 3. ОСОБЕННОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ
Значения Хо рассчитываются по формуле
(3.61) для конкретной стенки корпуса:
2-1011 -0.0013
а=4--------------------=0,124 м.
М 12-78000^1 - 0,32)
Первая и вторая резонансные частоты рассчи-
тываются по формулам (3.62) и (3.63): рс1 =16,754 с_|;
рс2 =326,65 с Л Первая резонансная частота на-
ступает в переходных режимах работы машины и на
шумовые характеристики в установившемся режиме
(угловая частота вращения двигателя 147,58 с-1) не
оказывает существенного влияния. Вторая резонанс-
ная частота не входит в диапазон исследуемых ок-
тавных частот.
Коэффициент потерь для стальной конструк-
—2 —4
ции по данным работы [36] Т| = 10 ...10 увели-
чивается по мере усложнения конструкции. Прове-
денные экспериментальные исследования позволили
определить значение Т| по амплитуде виброскорости
на входе в систему и выходе из нее. Амплитуда виб-
роскорости получена по результатам гармонического
анализа осциллограмм. Амплитуда виброскорости на
входе в систему, создаваемая электродвигателем,
Xlmax =ХО®/2Я.
Действительная частота вращения электродви-
гателя со = 130,8 рад/с;
*1тах “ —20,85 м/с.
Амплитуда виброскорости на выходе системы
•Ximax =2,61 + 0,28 = 2,89 мм/с = 2,89 10 3 м/с.
Коэффициент потерь на низких частотах
Мощность излучения звука на частоте 63 Гц
плоским корпусом мясорубки МИМ-300
N2 = 1,293-344-1,15-0,5-0,4-414,892-2,85 х
х 395,642 (1,193 10“13)2-( 16,7542-
-395,642)2-1,39-10^ (1—0,918) = 36,53 10 "’ Вт.
Расчетную звуковую мощность следует увели-
чить в 2 раза для частот, у которых минимальный
размер стенки корпуса меньше 1/2 длины волны. В
данном расчете это условие относится к частотам
63...250 Гц (см. табл. 3.4).
Мощность (Вт) излучения корпусом техноло-
гической машины на высоких частотах 2000...
4000 Гц в докритическом диапазоне определяется по
формуле (3.64):
N2 = 0,25-1,293-344-0,5-0,4-414,892-2,85292со2 х
х (16.7542- (О2)2-102т|.
Результаты расчетов и значения коэффициента
потерь приведены в табл. 3.4-3.7.
3.5. Величины Кв , Хо >
Параметры Среднегеометрические значения октавных частот, Гц
63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
(0, с1 395,64 785,0 1570 3140 6230 12560 25120 50240
1,15 2,284 4,584 9,235 18,470 36,941 73,023 146,046
е, м2/н2 1,193-10-” 3,74-10“'4 9,36-10“'6 5,09-10“'7 3,048-IO’18 1,91-10“” 1,91-10“2" 7,45-10“22
Хо 160 225,9 319,5 451,9 639,0 903,8 1278,2 1807,6
3.6. Мощность излучения и коэффициент потерь корпусом мясорубки МИМ-300
на низких и средних частотах
Параметры Среднегеометрические значения октавных частот, Гц
63 125 250 500 1000
П-104 1,39 1,39 2,46 2,46 2,8
Nn2. Вт 16,50-10“'° 34,26-10-'“ 13,056-10“'° 89,723-Ю'2 72,219 10'2
2М,2, Вт зз.о-ю-’0 68,52-IO-10 26,112 10'“ - -
ВИБРОАКУСТИКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
103
3.7. Мощность излучения и коэффициент потерь корпусом мясорубки МИМ-300
на высоких частотах
Параметры Среднегеометрические значения октавных частот, Гц
2000 4000 8000
я - 104 3,15 3,4 3,8
W„2, Вт 69,0- КГ” 46,25-10“18 32.42- 10 й
Проведенные расчеты свидетельствуют о том,
что мощность излучения плоским корпусом техноло-
гической машины уменьшается с возрастанием час-
тоты и на высоких частотах становится ниже порого-
вого значения 1012 Вт. Коэффициент потерь акусти-
ческой энергии возрастает с частотой по линейной
зависимости. Этот результат согласуется с результа-
тами О.Н. Поболя для текстильных машин.
Расчет мощности излучения мясорубки
МИМ-300 от внутренних источников шума (редук-
тора и электродвигателя) двухмассовой ВАС.
Площадь поверхности излучения редуктора и
электродвигателя составляет 0,3357 м2. При распо-
ложении МИМ-300 на столе производственного
помещения площадь излучаемой поверхности для
монопольного сферического излучателя 5 = 2л/?2.
Квадрат радиуса сферы излучателя
k;.£22Z=0.0535 ...
2л
Lp63 = 10 (lg46,23-10"8 + 12) = 56,6 дБ.
Относительная погрешность расчета на часто-
те 63 Гц
62-56,6 о „
Д=--------= 8,7 %.
62
Результаты расчетов по октавным полосам
частот приведены в табл. 3.9.
Сравнение результатов расчета с эксперимен-
тальными шумовыми характеристиками показывает,
что на средних частотах и частоте 2000 Гц получена
значительная погрешность расчетной характеристи-
ки. Это свидетельствует о том, что коэффициент
излучения на этих частотах далек от рассчитанного
по формуле (3.67). Тогда действительное значение Он
определяется по формуле (3.65) и (3.66). В качестве
Ам1 и Ам2 подставляются измеренные значения.
Действительные значения:
для одномассовых систем
Коэффициент излучения по (3.67) для октав-
ной частоты 63 Гц (Кв, см. табл. 3.4):
1,152-0,0535 „„
о =-----------------=0,066. 1
1 + 1,152 -0,0535
0
и.д
кт 2 2
N»\m Рс
2лрс0/г2Р02п
Мощность излучения внутренними источни-
ками шума по (3.66)
= 2л-1,293-344-0,0535-414,492-2852 х
х 395,642 (1,193-10“13)2-( 16,7542-
-395,642)2-0,066-1,39-1 0л0,046 = 45,9-10‘8 Вт.
Уровень звуковой мощности излучения на час-
тоте 63 Гц
1м2 = Ю (lg45,9 10 8 + 12) = 56,6 дБ.
На низкой частоте (63 Гц) величина Ам2 умно-
2 2
жается на величину K*R =0,046. Расчетные
значения 0И, Ам2 приведены в табл. 3.8. Общая зву-
ковая мощность излучения на частоте 63 Гц
У= 33, Ю'10 + 45,9-10-8 = 46,23-10~8 Вт.
Расчетный уровень звуковой мощности излу-
чения мясорубки МИМ-300 по (3.68) на частоте
63 Гц
для многомассовых систем
О„.д =N„2 (2npc0R2P02mfa2Q\)~' (p2j - СО2 )"2
В мясорубке МИМ-300 Оид = 7,78 для частот
500 Гц; Оид=3,94 для 1000 Гц; Оид = 3,57 для
2000 Гц.
В работе [37] показано, что 0Н > 1, если длины
волн излучателя и звуковой имеют близкие значения.
Используя эмпирические значения Оид можно
повысить точность расчетов шумовых характеристик
технологического оборудования.
Корректированный уровень звуковой мощно-
сти мясорубки МИМ-300 с учетом Ои д
Lw=10lg[10°’1(56’5-25)+100J(77’4-'6) +
+ 100,1(75,3-9) +100,1(57+1) +100,1(86-3) +
+100,181 +100,,<75+1) +100,l<5'~') j=85,7 дБА.
104 Глава 3. ОСОБЕННОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ
3.8. Расчетные значения коэффициентов пи и
мощности излучения внутренних источников шума /Ум2
Параметры Среднегеометрические значения октавных частот, Гц
63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
0,066 0,218 0,529 0,824 0,948 0,986 0,996 0,999
N„i, Вт 45,9-10“8 55,18-Ю"6 34,076-10-6 10,06-10-6 30,245-10 7 88.55 10 8 24.086-Ю8 67,75 10-’
3.9. Расчетные значения шумовых характеристик мясорубки МИМ-300 и
оценка погрешности расчета
Параметры Среднегеометрические значения октавных частот, Гц
63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
Вт 46,23 10 ® 55,187-10^ 34,078-Ю^6 10,06-10^ 30,245-10-7 88,55-10-8 24,086-10-8 17,75-1 О’8
56,6 77,4 75,3 70,0 64,8 59,5 53,8 52,4
62 73 77 86 81 75 57 57
Со, % 8,7 6,0 2,2 18,6 20 20,6 1 5,2 8,07
экспериментально определенное значение
Lpa = 87 дБА. Относительная погрешность результата
1,5%. Таким образом, рассмотренная аналитико-
экспериментальная методика расчета шумовой ха-
рактеристики технологического оборудования с
конкретным примером ее применения позволяет
определить характеристику на стадии разработки
технического или рабочего проекта машин с доста-
точной для инженерных расчетов точностью до
10...12 %.
3.4.3. ДИНАМИКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО
ОБОРУДОВАНИЯ ОБЩЕСТВЕННОГО ПИТАНИЯ
ДЛЯ РЕЗКИ
Виброактивными элементами режущего
технологического оборудования являются
электродвигатель, передачи (зубчатые, цепные,
клиноременные, кулачковые, рычажные и др.),
подшипниковые узлы, рабочие органы. В свою
очередь колебания вызывают динамические
нагрузки конструкции, вибрацию и шум, пара-
метры которых регламентируются системой
стандартов по безопасности труда.
На стадии конструирования технологиче-
ского оборудования возникает потребность в
расчете амплитудно-частотных характеристик
колебаний (АЧХ). На первом этапе этого рас-
чета необходимо построить и обосновать рас-
четные схемы - динамические эквивалентные
схемы линейных и крутильных колебаний. Они
выполняются на основе кинематических схем и
конструкции оборудования.
Технологическое оборудование общест-
венного питания по эквивалентным схемам
может быть классифицировано на одномассо-
вые и многомассовые модели (двух-, трех и
четырехмассовые) [34].
Эквивалентные схемы оборудования по
крутильным и линейным колебаниям приведе-
ны в табл. 3.10.
Эти схемы могут быть использованы для
описания виброакустических процессов техно-
логического оборудования и расчета их харак-
теристик.
После выбора эквивалентной схемы обо-
рудования необходимо провести ее предвари-
тельный расчет и анализ на основании кон-
кретной конструкции машины.
Рассчитываются массы или моменты
инерции, жесткости или податливости участ-
ков элементов машины, которые приводятся,
как правило, к валу ее электродвигателя. Эта
методика рассмотрена ниже на примере дина-
мического анализа эквивалентных схем мясо-
рубки типа МИМ-300 по крутильным колеба-
ниям.
Преобразуем кинематическую схему машины в
эквивалентную динамическую схему по крутильным
колебаниям (рис. 3.12).
Моменты инерции кинематических элементов
определяются экспериментальным методом прока-
чивания деталей на призме (при наличии централь-
ного отверстия) или аналитически [33].
ВИБРОАКУСТИКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
105
3.10. Эквивалентные схемы технологического оборудования
по крутильным и линейным колебаниям
Тип оборудования
Схема
2
Измельчительное:
овощерезательное
МРО 50-200; МРО-350;
МРО 400-1000
протирочно-режущее
МПР-350
хлеборезательное
МХР-200М; АХМ-300Т
мясорубки МИМ-250;
МИМ-300; МИМ-600
Универсальный привод со
сменными механизмами (мясо-
рубка, размолочный)
Очистительное - картофеле-
чистки МОК
Измельчительное - мясоруб-
ка МИМ-500
Универсальный привод со
сменными механизмами (взбива-
ния, перемешивания, овощереза-
тельно-протирочный, просеива-
тель, мясорыхлитель, картофеле-
чистка)
Взбивальное МВ-6; МВ-35М;
МТИ-100
Измельчительное МХР-200
Электродвигатель
Неуравновешенная масса
Машина на виброизоляторах
Крутильные колебания
U Л
h
Линейные колебания
Очистительное МОК-125,
МОК-150, MOK-250, МОК-400,
МОЛ-100;
Овощерезательное
МРО 50-200, МРО-350, МРО 400-
1000;
Протирочное МП-800,
МП-1000
Протирочно-резательное
МПР-350
Мясорубки:
МИМ-250, МИМ-300, МИМ-500,
МИМ-600
106 Глава 3. ОСОБЕННОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ
1
Продолжение табл. 3.10
2
ПУ-0,6, П-2 (с размолочным,
овощерезательным и прессую-
щим механизмами);
МИМ-500, У ММ-2, УММ-10,
МПМ-800, МРТ-15, МРГ-300А,
МТМ-15, МТИ-100, МВ-35М,
МФК-2240, МПО-350
ПУ-0,6, П-2 (с овощереза-
тельным, взбивальным, взби-
вально-перемешивающим смен-
ным механизмом);
УММ-4, УММ-5, МКП-60,
МВ-35М, МВ-60, МРТ-60М,
АП-ЗЗМ
Примечание: Обозначения: С - приведенный коэффициент жесткости; 7 - приведенные моменты
инерции вращающихся масс; т - приведенная масса; h - коэффициент демпфирования; Рв - внешняя сила.
Рис. 3.12. Кинематическая и эквивалентная ей
динамическая схема мясорубки МИМ-300
по крутильным колебаниям
В эквивалентной схеме приняты следующие
приведенные моменты инерции: ротора электродви-
гателя 7а; шестерни 7б ; колеса и 1/2 вала 7В;
1/2 вала 7Г; шнека 7Д ; ножа 7е = 7К .
Податливость участков определяется сумми-
рованием податливостей:
z=n
£=Ё£, ’
/=Г
где Et - податливость /-го участка, рад/(Нм).
Зубчатые передачи рассматриваются как жест-
кое соединение.
Для участка вала ротор - шестерня'.
Е = Е + Е + Е
где Еэс в - податливость электрических связей,
рад/(Н м); Еш - податливость шпонки, радДН м);
Ев - податливость вала, рад/(Н м);
10'5 п
^эс в I-------------’
д/ 1^4
у Na ncos3<p?f
где иэл - частота электрического тока, Гц; -
эффективная мощность на валу электродвигателя,
кВт; А’а - кажущаяся мощность подводимого к
электродвигателю тока, кВт; ф^ - угол сдвига фаз,
рад; =(0,4 + 0,0016ид) 1 - условная крат-
ность опрокидывающего момента; ид - частота
вращения электродвигателя, мин-1; Ск = 0,74 +
2
+0,3cos ; г| - КПД электродвигателя;
32 КШ1
Е.=------------, G„ - модуль сдвига, Па; / -
длина участка, м; d - диаметр участка, м;
Кш =\ + Wh/d, h - высота шпонки, м;
ВИБРОАКУСТИКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
107
32/
Для участка вала колесо - шнек:
(3.69)
£вг =£ш2 +£в +£К’
где Еш2 - податливость шпонки колеса редуктора;
Ек - податливость участка вала под колесом редук-
г- 32 к»1
тора; =------------; а - ширина шипа, м; кп -
7t(jc
коэффициент [33].
Для участка вал - середина шнека Егд рас-
считывается по формуле (3.69).
Для участка вала середина шнека - первый
нож
Ене ~ Егд + Er •
Для участка вала первый нож - второй нож
Еев определяют по формуле (3.69).
Приведение к валу электродвигателя моментов
инерции и податливостей системы дает:
4
= /KG2,
где п - частота вращения вала электродвигателя,
с'1; Ир - частота вращения шнека, с-1;
/5=/е[/2; /4=/дС72; 73=/гС72;
/2=/6+7вС72; /,=/а.
Приведенные значения подагливостей участ-
ков:
£12=£а6; £23=£BrG2; £34=£гд£2;
£45=£деС72; £56=£eKt/2.
Эквивалентные схемы оборудования могут
быть упрощены путем уменьшения количества масс
для снижения трудоемкости расчетов.
При расчете параметров колебаний при после-
довательном сокращении масс моменты инерции и
податливости смежных элементов находятся по за-
висимостям [33]:
< = £,'=-2!—£,;
Для мясорубки МИМ-300 параметры эквива-
лентных схем при сокращении числа масс приведены
в табл. 3.11.
3.11. Параметры эквивалентных схем мясорубки МИМ-300 при сокращении масс
Момент инерции, кг-м2 Число масс системы
6 5 4 3 2
л 3,3-10’’ З,3-1О“3 3,3-10'3 3,3-10“’ 3,3-10-’
h 1,402-1€Г2 1,402 10~2 1,402-10-2 1,402-10 2 1,402-10’2
h 7,65 10’ 7,54-10'5 7,54-10’5 1,9741
1,974 1,974 1,974
h 4,008-10"5 8,01610’5
1в 4,008 10 s
Податливость участка, Число масс системы
рад/(Нм) 6 5 4 3 2
^2 1,12310-3 1,12310~3 1,12310-3 1,123-10’’ 1,18410-’
^23 2,13310^ 2,133-Ю-4 2,133-Ю-4 6,153-10-*
Ем 4,02 10^ 4,02-10-4 4,02-10-4
^45 4,19 10^ 2,5625-10-4
Е5в 2,745 1 О’4
108 Глава 3. ОСОБЕННОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ
Расчет углов закручивания масс и частот соб-
ственных колебаний системы производится путем
решения системы дифференциальных уравнений:
ЛФ1 +^12 (ф1 “Ф2 ) = 0 ’
/2Ф2 (ф1 “Ф2 ) + ОгЗ (ф2 “ФЗ ) = 0 ’ (3.70)
Лф, -С,_|(ф,_1 -<р, ) + С,.,+1 (ф, -ф(+|)=0,
ср, - углы закручивания масс, рад.
Задаваясь законом крутильных колебаний масс
в виде некоторой периодической функции и подстав-
ляя их в систему уравнений (3.70), получаем систему
частотных уравнений вида:
/^w2 -С((Ф( -Ф2) = 0;
/2Ф2<о2 +С, (Ф, -Ф2)-С2(Ф2 -Ф3) = 0 >
1,Ф,^ + С,_, (Ф,_, -Ф, )-С, (Ф, -Ф,+1 )=0 ,
где С - коэффициент жесткости участков вала эк-
вивалентной схемы, Н м/рад; Ф - амплитуда угла
закручивания масс, рад.
Расчет амплитудно-частотных характеристик
системы при вынужденных крутильных колебаниях
производится путем решения системы уравнений:
/|ф| + С12 (ф| -ф2 ) = А/д ; (3 71)
/2Ф2 +С12 (cpt -q>2 ) + С2з (q>2 “Фз )“0 ’
7,ф, +С|, (ф,-| -ф() + С,;, + |(ф, -ф,+ |) = Л/с,
где Л/д - возмущающий момент, создаваемый
электродвигателем [38], Мс приведенный к валу
электродвигателя момент сопротивления на рабочем
органе машины [38];
- 2Л/|Пах пд/пк , (3.72)
Л/тах - максимальный вращающий момент, разви-
ваемый электродвигателем; од - скольжение рото-
ра электродвигателя при Л/тах ; GK - скольжение
ротора электродвигателя в рабочем режиме;
'wc =[мср + м, + Фо,)] и2 <3.73)
Л/ср - среднее значение момента сопротивления;
i - номер гармоники; ф0 - начальная фаза колеба-
ний.
Расчет параметров вынужденных колебаний по
специальной программе на ПЭВМ выполнен для
десяти гармоник крутящего момента для мясорубки
МИМ-300, приведен в табл. 3.12.
3.12. Амплитуды вынужденных крутильных колебаний
Номер гармо- ники Возмущающий момент л2 A3 Ад Аз
частота, рад/с амплитуда, Нм
1 26,46 51,54 -0,453 1 (Г2 -0,453-10’2 -0,451 -10’2 -0,449-Ю“2 -0,984-10’3
2 52,92 50,67 -0,1-10“2 -0,99-10’2 -0,984-10“’ 0,964 10 3 0.205-10 2
3 79,38 51,95 -0,582-10“’ -0,569 10 3 -0,566-10“’ -0,531-Ю’3 0.32-10 2
4 105,84 50,51 -0,277-10 3 -0,266-10’3 -0,254-10“’ -0,234-10’3 0,269-10“2
5 132,308 59,51 -0,539-10’’ -0,504-1О’3 —0,472-10 ’ -0,409-10“’ 0,76-10“2
6 158,77 59,58 -0,43-10“’ -0,29-10 3 -0,36-10“’ -0,28-10“’ 0,773-10“2
7 211,69 59,85 -0,382-10’3 -0,319-1О’3 -0,265 10 3 -0,162 10 3 0,8-102
8 238,15 55,86 -0,316 10 3 -0,25-10“’ -0,196-Ю’3 -0,923-10 ’ 0,58-10’2
9 264,6 63,63 -0,82-10“’ -0,608-10“’ -0,443-10“’ -0,127-10“’ 0,102-10’'
ВИБРОАКУСТИКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
109
При определении динамических нагрузок в
пусковом режиме эквивалентную схему машины в
инженерных расчетах приводят к двухмассовой [39].
Максимальный момент сил упругости
где /пр - приведенный к валу двигателя момент
инерции всех масс системы, Нм2; Хд - коэффици-
ент динамичности в пусковом режиме. Определяется
экспериментально или по [40]; для мясорубок
Кд = 1,2...2,0, для хлеборезок Кд =2,0...3,6
(наибольшие значения относятся к хлеборезкам с
дисковыми ножами).
На основании анализа динамических процес-
сов в мясорубке МИМ-300 следует, что резонансные
явления по крутильным колебаниям отсутствуют.
Конструкция машины обладает повышенной жестко-
стью кинематических элементов и соответственно
излишним запасом прочности. Расчет крутильных
колебаний мясорубки МИМ-300 может быть прове-
ден по двухмассовой эквивалентной схеме (см.
табл. 3.4).
Расчет амплитудно-частотных характеристик
собственных линейных колебаний выполняется пу-
тем решения системы уравнений, записанной в мат-
ричной форме,
где ||л/1|, || - квадратные матрицы соответст-
венно коэффициентов инерции и жесткости; } ,
{qt | - векторы-столбцы обобщенных координат и
ускорений.
Частоты собственных колебаний рассчитыва-
ются как определитель системы (3.56).
Для линейных вынужденных колебаний расчет
амплитудно-частотных характеристик эквивалентной
схемы выполняется путем решения системы уравне-
ний:
11^'7 II I*?'} +ll^z7 Н^в/} ’
где ||//z/1| - матрица коэффициентов сил демпфиро-
вания; {qt | - матрица обобщенных скоростей;
[РЪ1} — матрица обобщенных возмущающих сил.
Экспериментальные исследования динамиче-
ских нагрузок на рабочем органе технологических
машин позволяют записать величину и характер их
изменения тензометрическим методом.
Полученные осциллограммы изменения на-
грузки Р на рабочем органе или расхода мощности
подвергаются гармоническому анализу. В результате
получены уравнения, которые позволяют рассчитать
амплитудно-частотные характеристики и величину
нагружения рабочего органа. Уравнение включает
математическое ожидание величины нагрузки и ряд
значимых гармоник амплитудно-частотных характе-
ристик:
P = Pq + At sin(/(oz + ф0/) ,
где At - амплитуда нагрузки i-и гармоники.
В качестве нагрузки могут использоваться зна-
чения крутящего момента на рабочем органе М, сила
резания на ноже F, расход мощности технологиче-
ской машины А и другие параметры.
В табл. 3.13 приведены значения параметров в
зависимости (3.73) для ряда технологических машин
общественного питания с ярко выраженным динами-
ческим характером нагружения [41]. Динамические
параметры машин указаны для наиболее нагружен-
ных режимов работы.
3.4.4. ВИБРОАКУСТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
В КАРТОФЕЛЕОЧИСТИТЕЛЬНЫХ МАШИНАХ
На виброакустические характеристики
картофелеочистельных машин (картофелечис-
ток) влияют конструктивные особенности ма-
шины, физико-механические свойства продук-
та, кинематические, динамические, акустиче-
ские и технологические параметры рабочих
процессов. Учет всех этих факторов в теорети-
ческих моделях ВАХ картофелечисток чрезвы-
чайно усложнен и на современном уровне рас-
четов ВАХ не дает практически значимого
результата. В связи с этим для практического
использования в расчетах ВАХ целесообразно
использовать статистические модели.
Картофелечистки имеют одинаковые ки-
нематические параметры, одинаковую конст-
рукцию рабочего органа в виде вращающегося
с постоянной скоростью диска с волнами и
цилиндрическую рабочую камеру двух типов:
в виде цилиндрической абразивной поверхно-
сти (МОК-А) и в виде цилиндрического метал-
лического тонколистового перфорированного
листа (МОК-П).
Уровни звуковой мощности машин типа
МОК-А на средних частотах и частоте 2 кГц, а
также по корректированному уровню в рабо-
чем режиме работы превышают допустимые
уровни по санитарным нормам. На частоте
НО Глава 3. ОСОБЕННОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ
3.13. Амплитудно-частотные характеристики оборудования по (3.57)
Параметр Математическое ожидание параметра Ро Номер гармоники i Амплитуда гармоники Д, Круговая частота, с'1 Начальная фаза колебаний,°
Мясорубка МИМ-300
Вращающий момент, Н м 45,29 1 6,25 26,16 80,19
5 14,29 130.8 9,02
8 14,55 209,28 5,15
10 18,43 261,6 38,13
Расход мощности, кВт 1,25 1 0,107 114,2 75,16
6 0,116 685,2 24,34
Мясорубка МИМ-600
Вращающий момент, Н м 46,88 1 6,15 26,2 82,8
10 16,6 262,4 35,7
Расход мощности, кВт 1,28 1 0,4 108,3 72,3
6 0,434 649,8 28,7
Изгибающий момент на пере, Н м:
нож 1* 4,56 1 1,27 75,39 50,85
5 1,4 376,9 41,67
нож 2 5,21 1 0,21 75,39 40,1
5 0,31 376,9 85,8
Овощерезательное МРО-350
Вращающий момент, Н м 35,27 1 3,43 96,5 52,41
2 5,92 193,0 87,85
Расход мощности, кВт 0,224 1 0,43 88,4 43,72
Овощерезательио-протирочиое МПР-350
Вращающий момент, Н м 46,94 1 5,66 98,2 49,02
2 4,52 196,4 85,14
Расход мощности, кВт 0,251 1 0,028 90,2 56,22
2 0,034 180,4 82,22
Картофелечистка МОК-350
Вращающий момент, Н м 14,41 1 1,63 35,8 9,99
2 6,23 71,6 87,98
Расход мощности, кВт 0,646 6 0,36 313,8 0
Хлеборезка МХР-200
Вращающий момент, Н м 40,1 1 0,26 21,1 54,7
Расход мощности, кВт 0,386 1 0,021 334,3 3,72
Хлеборезка МХР-200М
Вращающий момент, Н м 23,08 1 0,46 22,4 36,5
Расход мощности, кВт 0,346 1 0,016 348,4 5,37
Хлеборезка АХМ-300Т
Вращающий момент, Н м 20,01 1 0,6 11,7 44,3
Расход мощности, кВт 0,317 1 0,031 330,8 4,41
♦ В качестве ножа 1 принят нож, который первый по ходу движения продукта нарезает мясо.
ВИБРОАКУСТИКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
111
500 Гц превышение наблюдается и при работе
машины без продукта. Анализ влияния шумо-
вых характеристик элементов машины на шу-
мовую характеристику машины в целом при
работе без продукта на опасных частотах пока-
зал, что на частоте 500 Гц электродвигатель не
оказывает влияния на шумовую характеристи-
ку машины.
Применение звукоизолирующего кожуха
на электродвигателе улучшает шумовую ха-
рактеристику машины на частотах 250, 500 Гц
и на высоких частотах. Балансировка рабочего
органа приводит к ее улучшению на частотах
125...500 Гц на 1...5 дБ, а на высоких частотах
2000 и 4000 Гц - на 2...6 дБ.
Различие уровней звуковой мощности на
частоте 500 Гц на 11 дБ между шумовыми ха-
рактеристиками электродвигателя и машины в
целом при работе без нагрузки свидетельствует
о преимущественном влиянии шума, излучае-
мого подшипниковым узлом. На частоте 1000
Гц уровень звуковой мощности, излучаемой
подшипниковым узлом, составляет 64 дБ, а на
частоте 2000 Гц - 55 дБ. Таким образом, на
частоте 1000 Гц формирование шумовой ха-
рактеристики машины происходит за счет шу-
ма электродвигателя и подшипникового узла, а
на частоте 2000 Гц - за счет шума электродви-
гателя.
Из сравнения шумовых характеристик
машины при работе с продуктом и без него
следует, что взаимодействие продукта с рабо-
чим органом и стенками рабочей камеры
ухудшает их на 8 дБА, в том числе на низких
частотах на 10... 13 дБ, на средних - на 3...5 дБ,
на высоких - 7 дБ.
Уровни звуковой мощности в октавных
полосах частот для машин МОК-А определя-
ются по зависимостям:
при работе без продукта
Lpi = -114,15 + 81,6ц — 11,5ц2 +0,153ц3;
г=0,83; 5 = 2,45 дБ;
при работе с продуктом
Lpi =-71,44+66,9ц-9,35ц2 +0,38ц3;
г =0,98; 5 = 1,69 дБ,
где ц = In f; f - среднегеометрическое зна-
чение октавной частоты, Гц; г - коэффициент
множественной корреляции; 5 - среднее
квадратическое отклонение, дБ.
На процесс взаимодействия продукта с
рабочим органом и стенками камеры оказыва-
ют влияние: масса загружаемого картофеля
тк и его крупность р, на нагрузку подшип-
никового узла - сила натяжения клиноремен-
ной передачи Fp . Для оценки влияния этих
факторов на шумовую характеристику машины
и построения многофакторной модели этого
процесса проведен факторный планируемый
эксперимент 2^ . В качестве целевой функции
приняты корректированный уровень звуковой
мощности машины Lp^, эффективное значе-
ние виброскорости корпуса vK и крутящий
момент на валу рабочего органа Мк . Значения
целевых функций устанавливались по осцил-
лограмме (рис. 3.13).
Факторный эксперимент с машиной типа
МОК-А (МОК-350) выполнен на специальном
стенде. На пленку осциллографа записаны од-
новременно уровень звука Aj , виброскорость
корпуса машины vK, крутящий момент на
валу рабочего органа Мк и расход мощности,
потребляемый электродвигателем N . Уровень
звуковой мощности Lpj определялся по вели-
чине Lj .
Исходные данные для планирования экс-
перимента приведены в табл. 3.14.
3.14. Уровни факторов
для картофелечистки МОК-350
Наименование %. Аг X,
Основной уровень 520 10 60
Единица варьирования 100 2 14
Верхний уровень 620 12 74
Нижний уровень 420 8 46
Обозначения гР, н тк, кг 0, мм
112 Глава 3. ОСОБЕННОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ
Рис. 3.13. Осциллограмма виброакустических характеристик машины МОК-350
при Fp = 420 Н; тк - 12 кг; 0 = 46 мм
Кодирование факторов:
*1 =
Fp -520
100
х тк-ю х 0-60
’ 2 2 ’ 3 14
Получены многофакторные модели в ко-
дированных значениях формулы для расчета
ВАХ в зависимости от крупности картофеля,
его массы и силы натяжения клиноременной
передачи:
Л/к =23,29-1,93%. -3,11%2 "
-4,55Х|Х2-3,ЗЗХ2Хз;
vK =15,13+3,63Х. +0,87Х2 +
к i’ 2 3 75
+ 1,38Х3-2,13Х2Х3;
Lpa =85,03 + 1,54Хз -0,66Х|Х3 -
-0,41XiX2X3. (3’76)
На величину крутящего момента на рабо-
чем органе крупность загружаемого картофеля
не оказывает существенного влияния, наиболее
значащим фактором является его масса.
В пределах варьирования факторами воз-
растание величин Fp, тк ведет к снижению
На виброскорость корпуса картофелечи-
стки наибольшее влияние оказывает натяжение
ремня и крупность картофеля, его масса. Для
улучшения вибрационных характеристик ма-
шины необходимо снижать величины Fp , тк
и 0. Взаимное влияние факторов тк и 0
может привести к снижению ик даже при их
повышении.
Наиболее значимым фактором для шумо-
вых характеристик машины оказалась круп-
ность загружаемого картофеля. Остальные
факторы слабо влияют на ШХ, и то лишь в
парном и тройном взаимодействии.
В натуральных значениях уравнения
(3.74) - (3.76) принимают вид
Мк = 37,598-0,014Fp -0,42mK + 0,1440-
-0,00053FpmK -0,0144шк0;
vK =-59,68 + 0,0363 Fp + 0,5mK + 0,8550-
-O,O76mK0;
ВИБРОАКУСТИКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
113
Lpa =110,58-0,4260+0,019Fp -4,68mK +
+0,001 Fp0 + O,O78mK + 0,009 FpmK +
+0,00015FpmK9.
На взаимосвязь шумовой характеристики
картофелеочистительной машины типа МОК-А
с крупностью загружаемого картофеля указы-
вает и тот факт, что с возрастанием крупности
(массы) картофеля возрастает энергия удара
его о стенки рабочей камеры и излучаемая
звуковая мощность.
В производственных условиях крупность
очищаемого картофеля является неуправляе-
мым фактором. Поэтому сертификационные
испытания необходимо проводить с картофе-
лем максимальной крупности.
Осциллограммы виброакустических и
технологических процессов, происходящих в
машине, позволяют получить ряд эмпириче-
ских зависимостей, характеризующих взаимо-
связь этих процессов. Результаты расшифровки
осциллограмм подвергнуты гармоническому
анализу. Изменение виброскорости характери-
зуется зависимостью
ик = 1,608+3,14sin(co/+37,68) +
+4,71sin(2wZ-69,69) +
+3,153sin(3coz-65,78) + l,33sin(4a)/-l,85),
где (0 - круговая частота колебаний, с-1; t -
время.
Изменение внешней нагрузки на машину
в рабочем режиме подвергнуто гармоническо-
му анализу и представлено рядом значащих
гармоник:
Мк =14,41+l,63sin(wZ+9,99)+
+6,23sin(2w/+87,98)+4,63sin( 3a>t-68,12)+
+2,42sin(4coz-15,19).
Расход мощности, потребляемой элек-
тродвигателем, кВт,
N = 0,646+ 0,36sin6tov/,
где о)дг =52,3 сfN =8,33 Гц.
Коррективный уровень звуковой мощно-
сти, излучаемый машиной (рис. 3.14),
LpA =79,69 + 5,48sin(co/ + 31,9) +
+6,77sin(2o)/-28,89) + 13,02x
xsin(3o)/ + 70,91) + 13,34sin(4co/ + 79,52) +
5,94sin(5<or-26,38) +
+6,96sin(6coZ +50,68) +6,27 x
xsin(7o)/ + 56,66) + 8,83sin(8co/ + 19,27) +
+7,09sin(9co/ + 40,49).
Рис. 3.14. Гармонический анализ осциллограммы ШХ МОК-350:
/ - 5 - гармоника соответственно первая, вторая, третья, шестая и девятая
114 Глава 3. ОСОБЕННОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ
В данных эмпирических выражениях: ос-
новная частота (0 = 35,8 с-1 (/ = 5,71 Гц),
период колебаний 7q =0,175 с; вторая частота
со2 =2(0 = 71,71 с’1 (/2=11z42 Гц), Т2 =
=0,0875 с; третья частота (03 =3(0 = 107,4 с-1
(/3 =17,13 Гц), 7"з =0,058 с; четвертая час-
тота 0)4=4(0 = 143,2 с-1 (Д=22,8 Гц),
?4 =0,044 с; / - частота колебаний, Гц.
Идентификация источников колебаний
проводится путем расчета основных частот,
возбуждаемых в машине. Например, для кар-
тофелечистки МОК-350 номинальная частота
вращения электродвигателя (1410 мин-1) со-
ставляет 23,5 Гц, частота вращения рабочего
органа (360 мин-1) - 6 Гц. Таким образом, ос-
новная частота соответствует частоте враще-
ния рабочего органа.
На рабочем органе картофелечистки
имеются три выступа (волны), которые созда-
ют колебания с частотой, близкой к 18 Гц. Эта
частота близка к частоте /3 = 17,13 Гц, на ней
возбуждаются колебания корпуса с наиболь-
шей амплитудой. Колебания, возбуждаемые
электродвигателем, идентифицируются четвер-
той гармоникой /4 =11,42 Гц. Вторая гармо-
ника /2 =11,42 Гц соответствует максималь-
ному крутящему моменту на рабочем органе.
Полученные эмпирические выражения
свидетельствуют о полигармоническом харак-
тере колебаний в машине, и лишь изменение
расхода мощности электродвигателем близко к
гармоническим колебаниям с частотой 8,33 Гц,
соответствующим шестой гармонике.
Изменение корректированного уровня
звуковой мощности характеризуется более
широким спектром колебаний, чем остальные
параметры. Наибольший вклад в изменение
уровня шума машины вносят третья и четвер-
тая гармоники, т.е. гармоники колебаний, воз-
буждаемые ударами продукта по корпусу ма-
шины, от волн на рабочем органе и электро-
двигателем машины. Колебания на остальных
частотах незначительно отличаются по ампли-
туде и их влияние можно оценить как равно-
значное.
С помощью программы «REGRE» уста-
навливались статистические зависимости меж-
ду шумовыми и вибрационными характеристи-
ками и величинами Мк и /V . Отбор моделей
производится по лучшей тесноте статистиче-
ской связи и меньшей средней квадратической
погрешности.
Статистические модели представлены
уравнениями
Lpa = 84,88 + 3,50г? -0,255г? + 1,87г?;
Г =0,76, 5 = 1,98 дБА;
гк =2,756+0,445А/к -0,0874/? +0,00274/?;
г = 0,49 ; 5 = 0,31 м/с.
Влияние Мк проявляется в большей сте-
пени на величину vK (теснота связи этих па-
раметров удовлетворительная). Хорошая ста-
тистическая связь наблюдается между шумо-
вой и вибрационной характеристиками маши-
ны.
Многомерная статистическая модель шу-
мовой характеристики, полученная методом
линейно-кусочной аппроксимации по про-
грамме АРМА [27], включает все параметры,
записанные на осциллограмме.
Lpa = 80,882 + 2,035г?к + 0,978Л/к +
+7,676W + 0,951v_] + v; (3.77)
r = 0,57; 5 = 1,21 дБА,
где V - случайные независимо и нормально
распределенные переменные с нулевыми,
средними значениями и общей дисперсией.
Коэффициент множественной корреля-
ции уравнения указывает на более высокую
тесноту статистической связи между зависи-
мой и независимыми переменными, чем у од-
номерных моделей. Многомерная статистиче-
ская модель (3.77) показывает, что улучшение
шумовой характеристики связано с уменьше-
нием технологической нагрузки на рабочий
орган, снижением энергоемкости рабочего
процесса и вибрации корпуса машины.
Для исследования резонансных явлений в кар-
тофелечистке типа МОК-350 представляем ее в каче-
стве трехмассовой динамической системы по кру-
тильным колебаниям. За первую массу виброакусти-
ческой системы принимаем массу ротора электро-
двигателя и ведущего шкива: момент инерции пер-
вой массы /] =1,74-10 2 Нм/с2.
Вторая масса включает массу ведомого шкива
и половину массы вала рабочего органа:
ВИБРОАКУСТИКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
115
/2 =1,26-10 2 Нмс2/рад.
Третья масса включает половину массы вала и
массу рабочего органа: /3 =0,53 Н м с2/рад.
Жесткости участков валов С12 =406,23
Н м/рад; С23 =2240,74 Нм/рад.
Частоты собственных крутильных колебаний
(0кс определяем по методу остатка [3]. Исходя из
системы уравнений свободных крутильных колеба-
ний многомассовых систем, моменты сил упругости
первого и второго участков валов
Л/12 =-/j(P|(o2c; А/3 =Л/|2 -/2Ф2(окс'
где ср, - амплитуды угловых колебаний (первой-
третьей) масс. Принимая ф> = 1, имеем
ф2 =ф| + ЛТ12/С|2 ; ф3 =ф2 +А723/С23 .
Если произвольно заданная величина (Окс бу-
дет равна искомой частоте, то моменты равны нулю,
в противном случае возникает остаточный момент
А/ ,7+| = . Метод остатка запрограммирован на
ПЭВМ. В результате расчета строится график зави-
симости Rq /(о2с = /(со) (рис. 3.15). Точки пересе-
Рис. 3.15. График остаточного момента свободных
крутильных колебаний валов картофелечистки
МОК-350
чения кривой с осью абсцисс указывают значения
двух частот собственных колебаний системы (окс| =
= 142 с'1 (22,6 Гц) и (окс2 = 464 с 1 (73,89 Гц).
Сравнивая частоты собственных крутильных
колебаний с вынужденными, можно сделать вывод о
том, что О)кс] = Д , т е. на частоте вращения элек-
тродвигателя могут возникнуть в системе резонанс-
ные явления. На четвертой частоте имеем и наи-
большую амплитуду излучения звуковой мощности
машины Ьрд . С целью улучшения шумовой харак-
теристики машины целесообразно изменить пара-
метры динамической системы (моменты инерции
масс, жесткости валов) или изменить частоту враще-
ния электродвигателя и передаточное число клино-
ременной передачи.
У картофелечисток типа МОК-П (МОК-150)
уровень шума при работе без продукта не превышает
допустимых санитарных норм. Наиболее высокий
уровень звуковой мощности излучается машиной на
низких частотах 125...250 Гц, средних (500...1000 Гц)
и на частоте 2000 Гц. Аналогичная картина и для
электродвигателя, хотя уровень шума электродвига-
теля ниже на 6 дБ на низких частотах 125...250 Гц,
на 4...6 дБ на средних ична 3 дБ на частоте 2000 Гц,
на 4...6 дБ - на остальных высоких частотах, а по
уровню звука - на 5 дБА.
Работа клиноременной передачи повышает
уровень звука на 3,5 дБА, на низких частотах - на
0,5...5 дБ (5 дБ соответствует частоте 250 Гц), на
средних частотах - на 4...6 дБ. Диск рабочею органа
возбуждает колебания с частотой 6 Гц. Основными
источниками шума при работе без продукга являют-
ся: электродвигатель и клиноременная передача с
подшипниками.
Существенно ухудшается работа машины с
продуктами. При очистке картофеля коррективный
уровень звуковой мощности возрастает на 12 дБА, на
низких частотах - на 10...20 дБ, на средних часто-
тах - на 10... 13 дБ, на высоких частотах - на 7...
13 дБ. Наибольшая звуковая мощность излучается на
низких частотах 125. .250 Гц. При очистке свеклы
работа машины ухудшается еще больше. Звуковая
мощность по сравнению с работой без продукта
возрастает на 19 дБА, на низких частотах - на 15...
22 дБ, на средних частотах - на 17...20 дБ, на высо-
ких частотах - на 17.. 20 дБ. Наибольшая звуковая
мощность излучается машиной на низких частотах
125. .250 Гц. Ухудшение работы машины с продук-
том связано с ударным характером взаимодействия
продукта с тонким цилиндрическим перфорирован-
ным листом рабочей камеры.
При работе машины без продукта шумовая ха-
рактеристика полностью соответствует санитарным
нормам, однако при очистке картофеля она превы-
шает нормативную: на низких частотах 125...250 Гц-
на 5.. 9 дБ, на средних - на 4.6 дБ и на высоких 2000
и 4000 Гц - на 2...4 дБ. При очистке свеклы отмечено
превышение норм как по корректированному уров-
116 Глава 3. ОСОБЕННОСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ
ню, так и по октановым полосам частот, исключая
31,5 Гц. Наибольшее превышение отмечено на час-
тотах 250 и 500 Гц.
Сравнение шумовых характеристик типа
МОК-П и МОК-А (МОК-150 и МОК-350), показало,
что характеристика машины МОК-150 по сравнению
с характеристикой с МОК-350 лучше при работе без
продукта на 6 дБА по корректированному уровню и
на 1 ...7 дБ на низких частотах, на 5... 13 дБ на средних
частотах и на Г..4 дБ на высоких частотах. Это сви-
детельствует о правильном направлении совершен-
ствования конструкции машины и повышении ее
качества.
При очистке картофеля характеристика МОК-
150 хуже чем у МОК-350 на низких частотах и на
частоте 4000 Гц, но лучше на 2 дБА по корректиро-
ванному уровню, на 3 дБ на частоте 500 Гц и на
2 дБ на частоте 2000 Гц. Сравнение допустимых
норм показало, что они ужесточились в октановых
полосах частот и увеличились на 7 дБА по корректи-
рованному уровню. При работе машины МОК-150 с
продуктом наблюдалась значительная вибрация
верхней части корпуса машины (с амплитудой до
10 мм) в горизонтальном направлении. Вибрацион-
ные характеристики машины типа МОК-П приведе-
ны в табл. 3.15.
3.15. Уровень локальной виброскорости, мм/с,
машины МОК-150
Режим работы Точка измерения
ручка корпус
Без продукта 0,25 0,67
Картофель 1,35 1.5
Свекла 6,5 5,1
Для улучшения ВАХ картофелечисток типа
МОК-П рекомендуется повышать жесткость цилинд-
рической перфорированной стенки рабочей камеры и
виброизолировать ее от корпуса машины, снижать
центр массы машины.
Расчет ВАХ для машин типа МОК-П выполня-
ется по эмпирическим моделям:
для очистки картофеля
LpA ~ 79,79 +3,18sin (со/ + 50,02) +
+5,44sin(2cor-40,9) + 3,08sin(6(o/ + 63,92) +
+4,13sin (1 Осо/-29,43);
для очистки свеклы
Lpa =82,75 + l,98sin((o/-67,78) +
+2,6sin(3co/ + 51,37) + 9,69sin(5(oZ-19,86),
где со = 264 с*.
Виброскорость корпуса машины:
при очистке картофеля
vK = 1,5 + 0,17 sin (со/ + 29,83) +
+0,62sin(5cD/-72,53) + 0,39sin(7aH + 85,0) +
+0,51 sin (9со/ + 34,24);
при очистке свеклы
ск = 5,03 + 0,26sin(co/-37,06) +
+0,43sin(2coZ-37,06) + 0,7sin(6a)/-77,94) +
+0,91sin(10a)Z-84,1),
где со = 56 с 1
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Структурно-механические характе-
ристики пищевых продуктов: Справочник /
Под ред. А.В. Горбатова. М.: Легкая и пищевая
промышленности, 1982. 296 с.
2. Реометрия пищевого сырья и продук-
тов: Справочник / Под ред. Ю.А. Мачихина.
М.: Агропромиздат, 1990. 271 с.
3. Горбатов А.В. Реология мясных и мо-
лочных продуктов. М.: Пищевая промышлен-
ность, 1979. 383 с.
4. Мачихин Ю.А., Берман Ю.К., Кла-
повский Ю.В. Формование пищевых масс.
М.: Колос, 1992.272 с.
5. Лобов Р.В. Влияние этапов проектиро-
вания на качество изделия И Стандарты и каче-
ство. 1994. №8. С. 15-16.
6. Сукманов В.А. Повышение техниче-
ского уровня и качества оборудования для ме-
ханической обработки продуктов питания.
Донецк: РИП «Лебедь», 1995. 236 с.
7. Азгальдов Г.Г. Теория и практика
оценки качества товаров (основы квалимет-
рии). М.: Экономика, 1982. 256с.
8. Благовещенская М.М., Петров И.К.
Математическая модель качества хлебопекар-
ного теста И Изв. ВУЗов. Пищевая технология.
1983. №5. С.69-73.
9. Гличев А.В. Общие сведения о мето-
дологии квалиметрии И Стандарты и качество.
1994. № 4. С. 24-29.
10. Топольник В.Г. Количественная
оценка качества оборудования общественного
питания. Донецк: Кассиопея, 1989. 196 с.
11. Сукманов В.А., Левит И. Б. К вопро-
су определения коэффициентов весомости по-
казателей качества торгово-технологического
оборудования И Надежность и контроль каче-
ства. 1986. № 3. С. 32-37.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
117
12. Азгальдов Г.Г. Неизмеримое или еще
не измерившееся И Стандарты и качество.
1993. №7. С. 33-41.
13. Азгальдов Г.Г. Квалиметрия: про-
шлое, настоящее, будущее И Стандарты и каче-
ство. 1994. № 1,2.
14. Проников А.С. Надежность машин.
М.: Машиностроение, 1987. 591 с.
15. Проников А.С. Проблемы теории и
методологии надежности машин И Надежность
и контроль качества. 1987. № 11. С. 11-17.
16. Сукманов В.А. и др. Механическое
оборудование предприятий общественного
питания и определение его надежности И
ЦНИИТЭИторговли. Общественное питание.
1979. Вып. 11.25 с.
17. Сукманов В.А. Исследование надеж-
ности некоторых типов торгово-техноло-
гического оборудования и их зарубежных ана-
логов И ЦНИИТЭИлегпищемаш. 1986. Вып. 2.
18. РД 50-690-89. Надежность в технике.
Методы оценки показателей надежности по
экспериментальным данным. М.: Изд-во стан-
дартов. 1990. 132 с.
19. Сукманов В.А., Хомичук В.А. Ис-
следование и оценка надежности установок для
сушки меланжа А1-ФМУ / Прогрессивные
технологии и системы в машиностроении. До-
нецк: ДонГТУ. Вып. 14. 2000. 261 с.
20. Труханов М.В. Методы обеспечения
надежности изделий машиностроения. М.:
Машиностроение, 1995. 303 с.
21. Коновалов Л.В. Роль и приоритетные
направления конструкционной надежности
машин при современных тенденциях развития
машиностроения / Надежность и контроль ка-
чества. 1997. № 5, 6.
22. Заплетников И.Н. Методологические
аспекты прогнозирования шумовых характери-
стик технологического оборудования И Изв.
вузов. Машиностроение. 1987. № 4. С. 36-38.
23. Заплетников И.Н. Снижение шума
торгово-технологического оборудования. Киев:
Выща школа, 1990. 150 с.
24. Бокс Дж., Дженкинс Г. Анализ вре-
менных рядов. Прогноз и управление. М.: Мир,
1974. 406 с.
25. Песаран М., Слейтер Л. Динамиче-
ская регрессия: теория и алгоритмы. М.: Фи-
нансы и статистика, 1984. 310 с.
26. Заплетников И.Н., Усачев В.И. Про-
гнозирование шумовых характеристик моде-
лями авторегрессии-скользящего среднего И
Изв. вузов. Машиностроение. 1987. № 8.
С. 49-53.
27. Заплетников И.Н., Усачев В.И. Про-
гнозирование шумовых характеристик машин
методами динамической регрессии И Изв. ву-
зов. Машиностроение. 1988. № 4. С. 13-17.
28. Заплетников И.Н., Краткова Т.И.
Исследование прогностических моделей шу-
мовых характеристик машин И Изв. вузов.
Машиностроение. 1989. № 8. С. 126- 129.
29. Zapletnikov I.N., Pavlov M.Y. Para-
metric models of vibroacoustic performances of
technological equipment И Fouzth international
congress on sound and vibration. St. Petersburg.
1996. June 24-27. P. 757-758.
30. Заплетников И.Н., Павлов М.Я.,
Олейникова Э.В. Расчет виброакустических
характеристик технологического оборудова-
ния И Прогрессивные технологии машино-
строения и современность. Севастополь. 1997.
С. 104-105.
31. Ашстратенко В.О., Заплетшков I.M.
Розрахунок деяких передаточних функцж
в{броакустичних систем технолопчних ма-
шин И Пауков} пращ украТнського державного
ушверштету харчових технолопй. 1994.
С. 25-30.
32. Динамика машин и управление ма-
шинами: Справочник / Под ред. Г.В. Крейнина.
М.: Машиностроение, 1988. 239 с.
33. Маслов Г.С. Крутильные колебания
валов. М.: Машиностроение, 1985. 149 с.
34. Заплетников И.Н., Дмитриев В.П.,
Павлов М.Я. Классификация технологическо-
го оборудования динамическими эквивалент-
ными схемами // Технология и оборудование
пищевых производств. Донецк: ДГКИ, 1998.
С. 9-14.
35. Технологическое оборудование пред-
приятий общественного питания / Под общ.
ред. М.И. Беляева. Киев: Выща школа, 1989.
550 с.
36. Справочник по контролю промыш-
ленных шумов: Пер. с англ. / Под ред. Л. Фол-
кнера. М.: Машиностроение, 1979. 447 с.
37. Справочник по технической акусти-
ке: Пер с нем. / Под ред. М. Хекла, X. Мюлле-
ра. Л.: Судостроение, 1980. 437 с.
38. Анистратенко В.А., Заплетников И.Н.
Виброакустические модели шумовой харак-
теристики технологической машины И
Изв. вузов. Машиностроение. 1992. № 4-6.
С. 143-147.
39. Заплетников И.Н., Соколов С.И.,
Панчук С.И. Исследование виброакустиче-
ских характеристик технологического обору-
118
Глава 4. ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
дования И Торговля и рынок Украины. Донецк:
ДКИ, 1992. С. 174-176.
40. Орликов М.Л. Динамика станков. Киев:
Выща школа, 1980. 256 с.
41. Заплетников И.Н., Павлов М.Я.,
Смирнов О.Р. Мониторинг технологического
оборудования пищевых производств И Маши-
ностроение и техносфера на рубеже XXI века.
Прогрессивные технологии и системы маши-
ностроения. Донецк, 1998. Вып. 6. С. 277-280.
Глава 4
ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
Характерной особенностью пищевого
машиностроения является разнообразная но-
менклатура выпускаемого оборудования - от
простых изделий до сложных автоматов и ав-
томатических линий.
В связи с созданием принципиально но-
вых технологий переработки пищевого сырья
совершенствуются и разрабатываются новые
конструкции машин и оборудования.
Преобладающий тип производства - мел-
косерийное. Главными характерными усло-
виями технологической подготовки производ-
ства оборудования для мелкосерийного произ-
водства пищевых машин и оборудования яв-
ляются:
неустойчивость технологических мар-
шрутов обработки деталей и сборочных еди-
ниц изделий;
применение недостаточно совершенных
заготовок и, следовательно, большой объем
дальнейшей обработки;
относительно большие затраты средств
на технологическую подготовку производства;
низкие затраты средств на специальную
технологическую оснастку.
Это не только влияет на характер работ
по технологической подготовке производства,
но и затрудняет широкое применение средств
механизации и автоматизации. Для повышения
серийности производства необходимо не толь-
ко увеличивать выпуск машин, но и применять
в различных машинах однотипные детали или
сборочные единицы. Повышение серийности
возможно также за счет определенных конст-
рукторских приемов, к которым относятся:
унификация и стандартизация.
Совершенствование технологии изготов-
ления пищевых машин и оборудования должно
базироваться на следующих принципах:
1) соблюдении конструктивной и техно-
логической преемственности при проектирова-
нии изделий и их производстве. Этот принцип
основан на разработке классификаторов обра-
батываемых деталей и повышении техноло-
гичности конструкций изделий;
2) возможности переналадки производст-
ва с максимальным использованием ранее
применявшихся технологических процессов и
оснастки. Этот принцип основан на типизации
технологических процессов и стандартизации
элементов технологической оснастки;
3) комплексной механизации и автомати-
зации производственных процессов при не-
большой серийности и частой замене изделий.
Этот принцип базируется на агрегатировании и
стандартизации элементов технологического
оборудования и оснастки;
4) использовании компьютерных техно-
логий для оптимизации технологических про-
цессов и создания базы данных.
Внедрение указанных принципов позво-
лит частично или полностью применять в пи-
щевом машиностроении методы крупносерий-
ного, а в некоторых случаях - методы массово-
го производства. В частности на заводах пище-
вого машиностроения вследствие широкой
унификации деталей и групповых технологи-
ческих процессов создаются специализирован-
ные поточные линии механической обработки
основных типовых деталей (валов, шнеков,
барабанов сепараторов и пр.), оснащенные
высокопроизводительным оборудованием. •
Особенности производства пищевых ма-
шин и аппаратов - выполнение большого объ-
ема сварочных операций и значительный
удельный вес механосборочного производства.
Технологический процесс изготовления
рабочих деталей и машины в целом включает
выбор заготовок, способов их получения и
обработки с учетом обеспечения точности и
качества поверхности, сборку и испытание
собранных машин.
4.1. ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ
В систему стандартов по технологиче-
ской подготовке производства включены сле-
дующие:
ГОСТ 14.004-83. Технологическая подго-
товка производства. Термины и определения
основных понятий;
ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ
119
ГОСТ 14.201-83. Обеспечение техноло-
гичности конструкции изделий. Общие требо-
вания;
ГОСТ 14.205-83. Технологичность кон-
струкции изделий. Термины и определения;
ГОСТ 14.206-73. Технологический кон-
троль конструкторской документации;
ГОСТ 14.322-83. Нормирование расхода
материалов. Основные положения.
Общие требования к технологичности
пищевых машин и аппаратов определяет ГОСТ
14.201-83.
Технологичность конструкции изде-
лия - совокупность свойств конструкции изде-
лия, определяющих ее приспособленность к
достижению оптимальных затрат при произ-
водстве, техническом обслуживании и ремонте
для заданных показателей качества, объема
выпуска и условий выполнения работ. Техно-
логичность конструкции пищевых машин, де-
талей и сборочных единиц оценивается в про-
цессе их создания с первых этапов проектиро-
вания машины.
Отработка конструкции изделия на
технологичность - часть работ по обеспече-
нию технологичности, направленная на дости-
жение заданного уровня технологичности и
выполняемая на всех этапах разработки изде-
лия. Отработка изделий на технологичность
продолжается в период подюювки производ-
ства и последующего серийного или массового
выпуска. Глубина отработки машины на тех-
нологичность зависит от объема производства.
Так, для опытного производства, когда изго-
товляют единицы машин, не требуется такой
отработки на технологичность, как для серий-
ного или массового производства.
Отработка конструкции машины на тех-
нологичность включает стадии, приведенные в
табл. 4.1.
4.1. Содержание работ по обеспечению технологичности конструкций изделия
Стадии разработки конструкторской документации Основное содержание работ по обеспечению технологичности конструкции изделия
1 2
Техническое пред- ложение Выявление вариантов конструктивных решений, имеющих лучшие предпосылки для рационального членения и компоновки изделия. Выявление возможности заимствования составных частей изделия. Выявление новых материалов, технологических процессов и средств технологического оснащения. Расчет показателей технологичности вариантов конструкции изделия. Выбор окончательного варианта конструктивного решения и (или) ком- поновки основных составных частей изделия. Технологический контроль конструкторской документации
Эскизный проект Анализ соответствия компоновок и членения вариантов конструкции изделия условиям производства. Анализ соответствия компоновок и членения вариантов конструкции изделия условиям технического обслуживания и ремонта. Сопоставление вариантов конструкции изделия по унификации, стан- дартизации, по точности расположения и способам соединения составных частей изделия. Расчет показателей технологичности вариантов конструкции изделия. Выбор вариантов конструкции изделия для дальнейшей разработки. Технологический контроль конструкторской документации
Технический проект Определение возможности параллельной и независимой сборки и кон- троля специфицированных составных частей изделия. Анализ соответствия конструкции и компоновки сменных и требующих технического обслуживания составных частей изделия требованиям техни- ческого обслуживания и ремонта. Выявление возможности применения покупных, стандартных, унифи- цированных или освоенных производством составных частей изделия.
120
Глава 4. ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
Продолжение табл. 4.1
1 2
Анализ возможности применения новых, в том числе типовых и группо- вых высокопроизводительных технологических процессов. Расчет показателей технологичности конструкции изделия. Принятие основных принципиальных решений по технологичности кон- струкции изделий и совершенствованию условий выполнения работ при производстве, эксплуатации и ремонте. Технологический контроль конструкторской документации
Рабочая конструк- торская документа- ция: опытного образ- ца (опытной пар- тии) или изделия единичного про- изводства (кроме разового изго- товления) При разработке: анализ возможности сборки изделия и его составных частей без проме- жуточных разборок; выбор рациональных способов фиксирования, центрирования и регули- рования составных частей изделия; определение доступности и легкосъемности сменных и требующих тех- нического обслуживания и ремонта составных частей изделия; выявление возможности унификации сборочных единиц и их конструк- тивных элементов; выявление возможности унификации деталей (включая детали крепежа) и их конструктивных элементов; установление экономически целесообразных методов получения загото- вок; поэлементная отработка конструкции деталей и сборочных единиц на технологичность; расчет показателей технологичности конструкции изделия; технологический контроль конструкторской документации. При изготовлении и испытании: проверка соответствия членения конструкции организационной струк- туре предприятия-изготовителя; проверка соответствия конструкции деталей рациональным способам получения заготовок и их обработки; проверка соответствия заданной точности изготовления изделия техни- ческим данным средств технологического оснащения; проверка применяемости нормальных рядов размеров, стандартного ре- жущего и измерительного инструмента; проверка возможности использования конструкторских баз в качестве технологических и их увязка; проверка возможности сокращения обрабатываемых поверхностей, со- вмещения (расчленения) деталей; проверка удобства и быстроты регулировки расположения составных частей изделия; проверка возможности технического контроля, в том числе контроля технического состояния, технического диагностирования, доступа к со- ставным частям при изготовлении, техническом обслуживании и ремонте; проверка возможности замены составных частей изделия другими таки- ми же частями при сохранении установленного качества изделия в целом; проверка возможности и удобства установки и съема составных частей изделия при его изготовлении, техническом обслуживании и ремонте, а также монтажа и демонтажа составных частей изделия; проверка возможности восстановления геометрических характеристик и качества поверхности деталей; проверка соответствия технологичности конструкции требованиям ре- монтопригодности и транспортабельности;
ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ
121
Продолжение табл. 4.1
1 2
серийного (мас- сового) произ- водства анализ технологичности опытного образца; расчет показателей технологичности после отработки конструкции при изготовлении и испытании опытного образца; корректировка и технологический контроль конструкторской докумен- тации с учетом предложений об изменении, выявленных при анализе тех- нологичности опытного образца
Окончательное принятие решений по совершенствованию условий вы- полнения работ при производстве, эксплуатации и ремонте и фиксация этих решений в технологической документации. Окончательная отработка конструкции изделия в период изготовления, испытания и оснащения технологического процесса изготовления устано- вочной серии. Доведение конструкции изделия до соотвегсгвия требованиям серийно- го (массового) производства с учетом применения наиболее производи- тельных технологических процессов и средств технологического оснаще- ния при изготовлении изделия и его основных составных частей. Доведение конструкции изделия до соответствия требованиям сущест- вующей и создаваемой системы технического обслуживания, диагностиро- вания, ремонта, монтажа вне предприятия-изготовителя, транспортирова- ния и хранения, с учетом применения прогрессивных технологических процессов и средств технологического оснащения при подготовке изделия к применению по назначению, техническом обслуживании, ремонте, мон- таже вне предприятия-изготовителя, диагностировании, транспортирова- нии и хранении. Оценка соответствия достигнутого уровня технологичности требовани- ям технического задания. Корректировка конструкторской документации. Оценка эксплуатационной и ремонтной технологичности путем прове- дения исследовательских (определительных) испытаний или организации сбора данных о технологичности изделия в процессе эксплуатации и ре- монта
Для пищевого машиностроения приняты
следующие основные показатели (коэффици-
енты) технологичности:
применения типовых технологических
процессов
= 2т.т.п /2т. п ’
где 2т тп “ число применяемых типовых
технологических процессов изготовления, кон-
троля, испытания; 2т п ~ общее число приме-
няемых технологических процессов;
унификации изделий
, "у “"о
«1=«уЛд=—--------->
"д
где Пу - число типоразмеров унифицирован-
ных деталей в изделии (включая стандартные);
п0 - число типоразмеров оригинальных дета-
лей в изделии; ид - общее число типоразмеров
деталей в изделии;
использования материала
/ п п
«2 =I/XWmXW’
/ 1 1
где тм - масса материала, израсходованного
на изготовление составной части изделия; т -
масса составной части изделия; п - число
составных частей;
122
Глава 4. ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
загрузка оборудования
«з = /^н ’
где - действительный годовой фонд вре-
мени единицы технического оборудования, ч;
FH - номинальный годовой фонд времени, ч.
относительной трудоемкости механиче-
ской обработки
= FM/Fy ,
М М / L,
где 7М - суммарное штучное время механиче-
ской обработки деталей в нормочасах; 7^ -
суммарная трудоемкость изделия в нормоча-
сах;
относительной трудоемкости сборки
^сб = ^сб /С
где Fc0 - суммарное штучное время сбороч-
ных работ, включая общую, узловые сборки и
испытания в нормочасах;
относительной трудоемкости загото-
вительных работ
К3=Т3/Ъ
где F3 - сумма штучного времени изготовле-
ния заготовок в нормочасах.
В конструкциях любой машины понятие
технологичности относят не только к общей
компоновке, сборочным единицам, но и к объ-
ему унификации и стандартизации конструк-
тивных элементов и деталей. Повышение ко-
эффициента унификации конструктивных эле-
ментов позволяет сократить в эксплуатацион-
ных условиях номенклатуру запасных частей и
облегчить ремонтные работы.
Для обеспечения экономии металлов,
особенно никельсодержащих коррозионно-
стойких сталей и цветных металлов, широко
используемых при изготовлении машин и ап-
паратов пищевых производств, большое вни-
мание уделяют выбору оптимальных профилей
металлов. Во многих случаях применение заго-
товок с пустотелыми профилями позволяет без
снижения прочности и жесткости уменьшить
расход металла для изготовления в 2-3 раза.
Важнейший показатель технологичности
конструкции пищевых машин и аппаратов - их
ремонтопригодность. Ремонтопригодность
оценивается доступностью для технического
обслуживания, удобством разборки и сборки
при ремонте, легкостью замены изнашиваю-
щихся деталей и механизмов, наличием техно-
логических баз, необходимых для восстанов-
ления исходных координат при ремонте, огра-
ниченностью типоразмеров крепежных дета-
лей, подшипников и номенклатуры слесарно-
сборочного инструмента. приспособленностью
детали к восстановлению >1>тем применения
прогрессивной технолог ии
4.2. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ,
САНИТАРИИ И ЭКОЛОГИИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
ГОСТ 12.2.124-90 устанавливает общие
требования безопасности при проектировании,
изготовлении, транспортировании, монтаже и
эксплуатации оборудования для перерабаты-
вающих отраслей агропромышленного ком-
плекса, а ГОСТ 12.2.135-95 - для переработки
продукции в мясной и птицеперерабатываю-
щей промышленности.
Общие положения. Машины и оборудо-
вание должны соответствовать: требованиям
ГОСТ 12.2.124-90, ГОСТ 12.2.135-95,
ГОСТ 12.1.004, ГОСТ 12.1.019, ГОСТ 12.2.003,
ГОСТ 12.2.007.0, ГОСТ 12.2.049, ГОСТ 12.2.062,
ГОСТ 12.2.124, ГОСТ 28693, нормам экологии,
санитарии, а конвейеры - требованиям
ГОСТ 12.2.022;
требованиям утвержденных отраслевых
правил и нормативов безопасности, производ-
ственной санитарии и экологии;
требованиям санитарных правил органи-
зации технологических процессов и гигиениче-
ским требованиям к производственному обо-
рудованию, утвержденным органами здраво-
охранения;
условиям транспортирования оборудова-
ния к месту установки;
требованиям безопасности к производст-
ву такелажных и монтажных работ с учетом
использования подъемно-транспортного обо-
рудования и приспособлений для монтажа.
В конструкции оборудования должны
быть учтены требования безопасности при
эксплуатации в различных климатических ус-
ловиях.
Оборудование не должно иметь острых
углов, кромок и неровностей поверхностей,
представляющих опасность травмирования
работающих. Компоновка составных частей
оборудования должна обеспечивать свободный
ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ, САНИТАРИИ И ЭКОЛОГИИ
123
и удобный доступ к ним, безопасность при
монтаже и эксплуатации.
Требования к шумовым характеристикам
оборудования - по ГОСТ 12.1.003 и норматив-
но-технической документации на конкретный
вид оборудования.
Общие требования санитарии. Требо-
вания к конструкции и материалам продукто-
вой зоны. Конструкция оборудования должна
обеспечивать защиту продукта от внешних
загрязнений, исключать вынос продукта и за-
грязнение окружающей среды, а также обеспе-
чивать полное опорожнение, хорошую очи-
щаемость, предотвращать застой продукта и
образование очагов гниения, которые могут
привести к изменению его свойств.
Все поверхности должны быть доступны
для санитарной обработки и контроля.
Оборудование, разборка которого для са-
нитарной обработки связана с большим объе-
мом работ, неудобством разборки, нарушением
точности при сборке, конструктивно необхо-
димо выполнять с учетом возможности сани-
тарной обработки без разборки оборудования,
с последующим полным удалением моющих
растворов.
В оборудовании не должно быть непро-
мываемых мест или поверхностей, соприка-
сающихся с продуктом, глухих «карманов»,
технологически необоснованных перегородок,
ступенек, кромок, резких сужений поперечного
сечения.
Конструкция оборудования с замкнутой
системой санитарной обработки должна обес-
печивать возможность периодической разбор-
ки для ручной очистки и контроля. Детали и
узлы, которые необходимо снять и разобрать в
период санитарной обработки, должны быть
снабжены легко разъемными соединениями.
В рабочей зоне должна обеспечиваться
целостность конструктивных элементов, не
допускается соединение внахлестку, примене-
ние заклепок, болтов и прерывистой сварки.
Края и вершины плоскостей, сходящихся в
пространственном угле рабочей зоны, должны
быть округлены радиусом не менее 6 мм, в
случае механизированной мойки - радиусом не
менее 50 мм.
Чаны, ванны, лотки, желоба, металличе-
ские технологические емкости должны иметь
легко очищаемую гладкую поверхность, без
щелей, зазоров, затрудняющих санитарную
обработку.
Уплотнительные устройства валов, отде-
ляющие зоны, должны исключать попадание
сока, моющих средств и т.д. в механизм приво-
да, а смазочных материалов - в продукт.
В рабочей зоне в качестве смазочного ма-
териала допускается применение только пище-
вых масел.
Прокладки, уплотнения, а также детали,
изготовленные из резиновых пластин, контак-
тирующие с пищевыми продуктами, должны
изготовляться по ГОС I 17 ИЗ и иметь разре-
шение Министерсгва здравоохранения РФ на
возможносгь контакта с пищевыми продукта-
ми.
Оборудование должно изготовляться из
разрешенных материалов или иметь покрытия,
не оказывающие вредного воздействия на пе-
рерабатываемый продукт, должно быть устой-
чиво к коррозии, не вступать в химические
соединения и быть стойким к воздействию
моющих щелочных и хлорсодержащих раство-
ров.
Применяемые в конструкции материалы,
синтетические и другие материалы и покрытия
должны быть в перечне разрешенных органами
здравоохранения на применение в контакте с
пищевыми продуктами и средами.
Запрещается применять в рабочей зоне
следующие материалы: свинец, цинк, медь, а
также сплавы и покрытия из них, покрытия из
кадмия, никеля, хрома, эмалей, пенопластов,
пластмасс на основе фенолформальдегида,
материалы, содержащие стекловолокно, асбест,
изделия из древесины (за исключением досок
из прочной древесины для разделки продук-
тов), керамики, стекла, лакокрасочных покры-
тий.
Детали, соприкасающиеся с продуктом
переработки, изготовленные из алюминия и его
сплавов, из бронзы, а также из чугуна, для
обеспечения качественной санитарной обра-
ботки должны иметь шероховатость поверхно-
сти Ra < 2,5 мкм по ГОСТ 2789.
Конструкционные материалы во время
эксплуатации, систематической чистки и де-
зинфекции оборудования в пределах проекти-
руемого срока службы, установленного в нор-
мативной документации на конкретное обору-
дование, должны быть стойкими к химиче-
ским, тепловым и механическим воздействиям.
Пищевые продукты, средства чистки и дезин-
фекции не должны связываться или проникать
в конструкционные материалы в таких количе-
ствах и форме, удаление которых без остатка
потребовало бы дополнительной работы по
сравнению с обычно применяемой чисткой.
124
Глава 4. ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
Цвет конструкционного материала не
должен влиять на оценку состояния продукции
и не должен мешать выявлению загрязнений на
нем.
Требования к конструкциям и материа-
лам производственной зоны. При изготовлении
металлоконструкций (рам, станин, связей и
т.д.) следует применять профили замкнутого
сечения.
Полости труб в металлоконструкциях
должны быть закрыты сваркой или состыков-
кой с плоскими поверхностями.
Требования к конструкциям и материа-
лам зоны обслуживания. Размещение оборудо-
вания по отношению к полу, стенам, перекры-
тиям, обвязка оборудования трубопроводами,
связь с производственной канализацией не
должны препятствовать санитарной обработке
и контролю и не должны являться источником
загрязнения продукта.
Общие требования к конструкции. Те-
пловыделяющее оборудование должно быть
теплоизолировано так, чтобы температура на-
ружных поверхностей не превышала 45 °C.
Теплоизоляция должна быть огнестойкой, ус-
тойчивой к влаге и механическим воздействи-
ям.
Оборудование с принудительным охлаж-
дением должно иметь блокирующее устройст-
во, исключающее его пуск при отсутствии хла-
дагента.
Вентиляционные системы должны соот-
ветствовать требованиям ГОСТ 12.4.021.
Пневмоприводы должны соответствовать
требованиям ГОСТ 12.3.001.
Гидроприводы и смазочные системы
должны соответствовать требованиям ГОСТ
12.2.040 и ГОСТ 12.2.086.
Ультразвуковое оборудование должно
соответствовать ГОСТ 12.2.051.
Устройство, содержание, эксплуатация
воздухопроводов, газопроводов стационарных
компрессорных установок должно соответст-
вовать требованиям ГОСТ 12.2.016 и правилам
устройства и безопасной эксплуатации стацио-
нарных компрессорных установок, воздухо-
проводов и газопроводов Госгортехнадзора
РФ.
Устройство, содержание и эксплуатация
паропроводов с давлением выше МО5 Па
(1 кгс/см2) и трубопроводов горячей воды тем-
пературой выше 120 °C должны соответство-
вать требованиям правил устройства и безо-
пасной эксплуатации трубопроводов пара и
горячей воды l oci ортехнадзора РФ.
Смазочная система сборочных единиц и
механизмов, расположенных в местах, опасных
для обслуживающего персонала, должна быть
автоматической или дистанционной.
Конструкция систем должна исключать
возможность попадания смазочных масел в
пищевые продукты, на части оборудования, не
требующие смазки, а гакже на площадки об-
служивания.
Узлы оборудования, являющиеся опас-
ными для обслуживания, поверхности ограж-
дений и защитных устройств должны быть
окрашены в опознавательные цвета по ГОСТ
14202 и иметь знаки безопасности по ГОСТ
Р 12.4.026-2001.
Бункеры и воронки для подачи сырья и
устройства для выхода готовой продукции
должны иметь конструкцию, обеспечивающую
при загрузке и выгрузке безопасность обслу-
живающего персонала.
Конструкция загрузочных устройств
должна исключать выброс сырья наружу. За-
грузка. перемешивание, выгрузка и транспор-
тирование продукта к оборудованию и от обо-
рудования должны быть механизированы, за
исключением универсального оборудования.
Конструкция оборудования должна ис-
ключать самопроизвольное ослабление креп-
лений сборочных единиц и узлов, а также ис-
ключать перемещение подвижных элементов
за пределы, предусмотренные конструкцией.
Машины, а также приводимые в движе-
ние аппараты должны иметь индивидуальные
приводы или устройства отключения их от
общего привода.
В многоприводных машинах должна
быть предусмотрена электрическая блокировка
отключения двигателей приводов в случае воз-
никновения опасных ситуаций при внезапной
остановке одного из них.
Оборудование должно быть оснащено
предохранительными устройствами (предохра-
нительными клапанами, муфтами и др.), пре-
дотвращающими возникновение перегрузок
элементов конструкции, приводящих к их раз-
рушению и созданию аварийных ситуаций.
Чистка и мойка аппаратов и емкостей
должны обеспечиваться без пребывания людей
внутри них. Операции по санитарной обработ-
ке (удаление остатка, промывка, пропарка,
дегазация) должны быть механизированы.
ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ, САНИТАРИИ И ЭКОЛОГИИ
125
Стационарные аппараты, нуждающиеся в
периодическом обезвреживании, чистке и мой-
ке, должны иметь места присоединения пара,
воды и других средств, а также устройства
стоков и при необходимости вентилирования
(продувки).
Требования к средствам герметизации,
аспирации, взрывопожаробезопасности обо-
рудования. При проектировании, изготовле-
нии, монтаже пылегазовыделяющего оборудо-
вания должны предусматриваться герметиза-
ция, аспирация или иные способы предотвра-
щения попадания в воздух вредных веществ и
пыли.
В оборудовании, требующем герметиза-
ции, материал и конструкция уплотнений вра-
щающихся валов, других движущихся деталей,
мест ввода арматуры должны обеспечивать
герметичность в эксплуатации в течение меж-
ремонтного периода.
В зависимости от особенностей техноло-
гических процессов оборудование должно
иметь индивидуальные отсосы или элементы
подключения к стационарным системам венти-
ляции для отсоса улавливания и удаления
вредных или опасных веществ с очисткой воз-
духа до санитарных норм перед выбросом его в
атмосферу. Для отсоса пыли, воспламеняю-
щихся или взрывоопасных сред должна быть
предусмотрена самостоятельная вентиляцион-
ная система. Подключение к общей вентиляци-
онной системе не допускается.
Встроенные в оборудование аспирацион-
ные и вытяжные вентиляционные системы
должны быть сблокированы с пусковыми уст-
ройствами оборудования.
Конструкция аспирационных устройств
должна исключать возможность возникновения
взрывопожароопасных ситуаций, обеспечивать
герметичность, предусматривать возможность
их чистки и при необходимости контроля аэ-
родинамических режимов работы.
Оборудование, в котором используются
взрывопожароопасные вещества, должно ос-
нащаться средствами контроля за параметрами,
значения которых определяют взрывопожаро-
опасность процесса, а также противоаварий-
ными устройствами: клапанами, автоматиче-
скими системами подавления взрывов и т.п.
Оборудование, подающее взрывопожаро-
опасные материалы, должно иметь устройства,
блокирующие эту подачу при аварийных си-
туациях.
Оборудование, предназначенное для ра-
бот со взрывопожароопасными веществами,
должно иметь устройства для подключения
коммуникаций воды, пара и (или) инертного
газа.
Конструкция оборудования должна соот-
ветствовать требованиям электростатической
искробезопасности по I ОСТ 12.1.018.
Конструкция оборудования, предназна-
ченного для использования i азообразного топ-
лива, должна соответствовать требованиям
правил безопасности в газовом хозяйстве Гос-
гортехнадзора РФ.
Конструкция конвейерных технологиче-
ских печей должна предусматривать автомати-
ческое прекращение нагрева (подачи теплоно-
сителя) в случае остановки конвейера.
Органы управления оборудованием
должны соответствовать Р51321-2000, ГОСТ
23000.
Для обеспечения безопасности работы
обслуживающего персонала машины и аппара-
ты должны иметь необходимые измерительные
приборы (термометры и др.), соответствующие
требованиям стандартов государственной сис-
темы промышленных приборов, звуковую или
световую сигнализацию, отвечающие требова-
ниям ГОСТ 21786 и ГОСТ 21829 соответст-
венно.
Электрические изделия, входящие в со-
став оборудования, должны соответствовать
требованиям ГОСТ 12.2007.0 - ГОСТ
12.2.007.4, ГОСТ 12.2.007.6, ГОСТ 12.2.007.13-
2000, ГОСТ 12.2.007.14, ГОСТ 12.1.038, ГОСТ
12.1.030, ГОСТ Р51321.1-2000, ГОСТ РМЭК
60204-1-99, а также межотраслевым правилам
по охране труда при эксплуатации электроус-
тановок ПОТРМ-016-2001.
Общие требования экологии. Оборудо-
вание или части его, являющиеся источником
выделения влаги, газов и пыли, должны быть
конструктивно укрыты и максимально герме-
тизированы. При недостаточной герметизации
оборудование должно иметь встроенные мест-
ные отсосы или устройства, улавливающие и
удаляющие вредные вещества, а также устрой-
ства очистки выбрасываемого в атмосферу
воздуха.
Содержание вредных веществ в воздухе
рабочей зоны не должно превышать предельно
допустимых концентраций (ПДК), используе-
мых при проектировании производственных
зданий, технологических процессов, оборудо-
вания, вентиляции, для контроля за качеством
126
Глава 4. ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
производственной среды и профилактики не-
благоприятного воздействия на здоровье рабо-
тающих для предупреждения возможности
превышения ПДК максимально разовых и
среднесменных рабочей зоны.
При одновременном содержании в возду-
хе рабочей зоны нескольких вредных веществ
разнонаправленного действий ПДК остаются
такими же, как и при изолированном воздейст-
вии. При одновременном содержании в возду-
хе рабочей зоны нескольких вредных веществ
однонаправленного действия (по заключению
органов государственного санитарного надзо-
ра) сумма отношений фактических концентра-
ций каждого из них (Кь К2, К„) в воздухе к
их ПДК (ПДКЬ ПДК2, ПДК„) не должна
превышать единицы.
Ki t к2 t к„
ПДК] пдк2 пдк„
Очистка технологических газов и венти-
ляционных выбросов от неприятно пахнущих
веществ должна проводиться независимо от
результатов расчета ПДК.
Слив в канализацию сточных вод из обо-
рудования (ванн, барок, баков и т. п.) надлежит
проводить закрытым способом с обеспечением
возможности наблюдения за сливом. Спуск
сточных вод на пол производственного поме-
щения, а также устройство открытых желобов
для их стока в канализацию не допускаются.
Отвод сточных вод и их очистку следует
предусматривать в соответствии с действую-
щими нормативными документами, опреде-
ляющими условия спуска и степень чистоты
сточных вод (механическую, биологическую и
физико-химическую).
Оптимальные и допустимые показатели
температуры, относительной влажности и ско-
рости движения воздуха в рабочей зоне произ-
водственных помещений должны соответство-
вать значениям, указанным в ГОСТ 12.1.005.
4.3. МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ
В ПИЩЕВОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
Специфические условия пищевых произ-
водств (повышенная влажность, большие пере-
пады температур, переменные и динамические
нагрузки, непосредственный контакт с пище-
выми продуктами и агрессивными средами,
абразивное воздействие некоторых продуктов)
предъявляют особые требования к выбору ма-
териалов для пищевого оборудования.
Материалы, применяемые в пищевом
машиностроении, должны отвечать общим
требованиям санитарии, предъявляемым к ма-
териалам, находящимся в контакте с пищевы-
ми продуктами, приведенным выше.
Основное требование к материалам, при-
меняемым в пищевом машиностроении, - вы-
сокая коррозионная стойкость. Продукты кор-
розии, смешиваясь с пищевыми продуктами,
снижают качество последних и нередко делают
их совершенно непригодными для питания.
Поэтому металлы и сплавы для изготовления
пищевых машин и аппаратов не должны под-
вергаться коррозии при контакте с пищевыми
продуктами. При наличии коррозии скорость
ее должна быть минимальной. Продукты кор-
розии не должны быть токсичными и не долж-
ны влиять на органолептические свойства пи-
щевых продуктов.
Для пищевого машиностроения приме-
няют стали и сплавы, приведенные в табл. 4.2.
4.2. Материалы, применяемые в пищевом машиностроении
Марка материала Характеристика механических свойств Область применения
1 2 . 3
С СтЗсп СтЗкп ТАЛЬ УГЛЕРОДИСТАЯ О ов = 373...481 МПа; пт = 245...206 МПа ств = 363. ..461 МПа; пт = 235... 196 МПа ОБЫКНОВЕННОГО КАЧЕСТВА (ГОСТ 380-94) Несущие элементы конструкций и деталей, работаю- щих при переменных нагрузках, - обечайки, днища, кор- пуса сосудов и аппаратов, работающих под давлением; малоответственные детали (валики, втулки, оси), не тре- бующие термообработки и работающих при температуре - 40...+ 400 °C; цистерны для перевозки спирта; детали для пивоваренной, хлебопекарной, масложировой, мясной и других отраслей промышленности, контактирующие с
МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ПИЩЕВОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
127
Продолжение табл. 4.2
1 2 3
продуктами; пальцы цепи элеватора, детали весов, контак- тирующие с мукой; детали оборудования для рафинации растительного масла; ролики в агрегатах тонкого измель- чения мяса; колосники макаронных матриц и т.д.
Ст5сп пв = 490...628 МПа; пт = 328...255 МПа Арматура, малонагруженные детали машин для пере- работки свиных, говяжих и бараньих кишок, прессов для каныги, шпигорезок, фаршемешалок; крепежные изде- лия; детали узлов трения - тяги, оси, пальцы, рычаги, упоры, штыри и другие детали, работающие при темпе- ратуре 0...425 °C
СТАЛЬ УГЛЕРОДИСТАЯ КАЧЕСТВЕННАЯ КОНСТРУКЦИОННАЯ (ГОСТ 1050-88)
08кп пв = 294МПа; пт = 177 МПа; 131 НВ без термообра- ботки (не более) Неответственные ненагруженные детали, к которым предъявляются требования высокой пластичности, - змеевики, патрубки, шайбы, прокладки, вилки, тяги, втулки; детали аппаратуры, подвергаемые эмалирова- нию, - противни для жарки мясных и рыбных полуфаб- рикатов, для выпечки хлебобулочных изделий
10 пв = 392 МПа; пт = 245 МПа; 56...62 HRC Малонагруженные детали, работающие на истирание
Юкп пв = 314МПа; пт = 186 МПа; 143 НВ без термообра- ботки (не более) Детали, к которым предъявляются требования высо- кой пластичности, работающие при температуре до 450 °C, - трубные пучки теплообменных аппаратов, змеевики и др.
20 пв = 490 МПа; пт = 294 МПа; 54...62 HRC Детали, к которым предъявляются требования высо- кой поверхностной твердости и износостойкости при невысокой прочности сердцевины, - фрикционные дис- ки, червяки, кулачковые валики, ролики, направляющие пальцы, фланцы, детали крепления и др.
35 пв = 530 МПа; пт = 314МПа; 207 НВ без термообра- ботки (не более) Мелкие детали, работающие при небольших напря- жениях и температуре до 150 °C, - оси, тяги, валики, шайбы, втулки на шейке валов свекломоек и т.п.
40 пв = 568 МПа; пт = 333 МПа; 217 НВ без термообра- ботки (не более) Детали, от которых требуется повышенная проч- ность, - шестерни, детали арматуры, шпиндели, звездоч- ки, шпонки, болты для крепления волнорезов внутри цистерн для перевозки спирта
45 пв= 1177 МПа; ат = 932 МПа; 40...50 HRC Детали средних размеров и несложной конфигурации, к которым предъявляются требования повышенной прочности, - диски молотковых дробилок, планки и рам- ки ножевых шпигорезок, пальцы и шнеки волчков и т.п.
СТАЛЬ НИЗКОЛЕГИРОВАННАЯ ТОЛСТОЛИСТОВАЯ
ШИРОКОПОЛОСНАЯ УНИВЕРСАЛЬНАЯ - ПРОКАТ (ГОСТ 19281-89)
16ГС ов = 451...490 МПа; ат = 324...275 МПа Корпусы аппаратов и сосудов, днищ, фланцев и дру- гих деталей, работающих при температуре -40...+475 °C
15ГФ пв = 471... 510 МПа; пт = 373 ...333 МПа под давлением
128
Глава 4. ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
Продолжение табл. 4.2
1 2 3
СТАЛЬ КОНСТРУКЦИОННАЯ ЛЕГИРОВАННАЯ (ГОСТ 4543-71)
20Х пв = 637 МПа; <7Т = 392 МПа; 54...62 HRC Детали, к которым предъявляют требование высокой поверхностной твердости при невысокой прочности сердцевины, работающие при больших скоростях и сред- них давлениях: толка!ели. кулачковые муфты, копиры, направляющие планки, плунжеры, рычаги, рабочие орга- ны шестеренных насосов для перекачки мелассы и утфе- лей в сахарной промышленности, рабочие органы масло- отжимных шнековых прессов и г. д.
40Х пв = 981 МПа; пт = 785 МПа Детали, работающие в контакте с пищевыми средами в условиях трения без значительной ударной нагрузки, - веретено сепаратора жирового, валы дробилок комби- кормов и т. д.
40 ХН пв = 981 МПа; пт = 785 МПа Ответственные нагруженные детали, подвергающиеся вибрационным и динамическим нагрузкам, - затяжные кольца барабанов сепараторов, цилиндры, шатуны и т. п.
35НМ пв= 1570 МПа; qt — 1373 МПа; 40...55 HRC Детали, работающие в условиях больших нагрузок и скоростей при температуре до 450...500 °C, - валы, втул- ки, шнеки и др.
30ХГСА пв= 1471 МПа; пт = 1275 МПа; 42...50 HRC Детали, работающие при температуре до 200 °C в ус- ловиях значительных нагружений, - рабочие органы дробилок, шипы в костедробильной машине, толкатели, рычаги, тормозные ленты, ответственные сварные конст- рукции, работающие при знакопеременных нагрузках; крепежные детали, работающие в условиях низких тем- ператур и значительного износа
ШХ 15 СТАЛЬ ПОД 58...62 HRC ШИПНИКОВАЯ (ГОСТ 801-78) Детали, к которым предъявляются требования высо- кой твердости, износостойкости и контактной прочно- сти, - втулки плунжеров, рамки, копиры, решетки из- мельчителей мяса
У7А У8А СТАЛЬ ИНСТРУМЕНТ? 63...60 HRC; 43...35 HRC 64...60 HRC; 35...27 HRC ШЬНАЯ УГЛЕРОДИСТАЯ (ГОСТ 1435-74) Рабочие детали и режущие инструменты - ножи, пи- лы, скребки овощеобрабатывающие, мясорезательные и другие машины, серповидные ножи в шпигорезках и т. д.
У12А 62 HRC Детали, подвергающиеся резким ударным нагруз- кам, - ножи зубчатые и плоские в костедробильных ма- шинах
СТАЛЬ ИНСТРУМЕНТАЛЬНАЯ ЛЕГИРОВАННАЯ (ГОСТ 5950-2000)
9ХС 63...62 HRC; 46...37 HRC Разжимные пружинные втулки, зажимные цанги, крупные режущие инструменты сложной формы, лопа- сти пельменного автомата и др.
МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ПИЩЕВОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
129
Продолжение табл. 4.2
• 2 3
СТАЛИ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫЕ И СПЛАВЫ КОРРОЗИОННО-СТОЙКИЕ, ЖАРОСТОЙКИЕ И ЖАРОПРОЧНЫЕ (ГОСТ 5632-72)
12Х18Н9 ав = 490 МПа; ат = 196 МПа Изделия и детали, работающие в контакте с агрессив- ными пищевыми продуктами и средами, - сварные емко- сти, корыта тестомесителей макаронных прессов, трубо- проводы, арматура, фильтры и др.
12Х18Н10Т ав = 510...530 МПа; от= 196...235 МПа Сварные теплообменные аппараты и сосуды, рабо- тающие в контакте с пищевыми продуктами и средами, разбавленными растворами азотной, уксусной, фосфор- ной кислот, растворами щелочей и солей; детали машин и аппаратов винодельческой промышленности, сливко- созревательных танков, бочков взбивальных машин, мат- риц макаронных прессов и др.
12X13 ав = 588 МПа; ат = 412 МПа Детали и изделия (в том числе сварные), совмещаю- щие повышенную прочность, пластичность и ударную вязкость, а также сопротивляемость воздействию слабо- агрессивных сред (атмосферных осадков, влажного пара, водных растворов солей, водопроводной и речной во- ды), - шнеки, валы, крепежные детали; как жаропрочные при температуре до 550 °C и как жаростойкие - при температуре до 700 °C (детали печей)
95X18 ав = 2000 МПа; ат = 1900 МПа; 50...60 HRC Коррозионно-стойкие детали - подшипники, втулки, ножи дисковые для мяса и рыбоперерабатывающих ма- шин; кольца торцовых уплотнений и другие детали, под- вергающиеся сильному износу и действию умеренно агрессивных сред
08Х18Г8Н2Т ав = 588 МПа; ат = 343 МПа Сварная аппаратура, в том числе резервуары, трубо- проводы, реакторы, работающие в окислительных агрес- сивных средах
08Х22Н6Т ав = 600 МПа; ат = 350 МПа Сварная аппаратура, в том числе резервуары, испари- тели, теплообменники, трубопроводы, арматура, отли- чающаяся повышенной прочностью и стойкостью в окислительных средах пищевых производств, против коррозии в промышленной, морской и тропической ат- мосфере
10Х14АГ15 ав = 736 МПа; ат = 294 МПа Оборудование мясной, молочной, винодельческой и других отраслей пищевой промышленности. Является заменителем коррозионно-стойких сталей типа 12Х18Н9, 12Х18Н10, 12Х18Н9Т и 12Х18Н10Т преимущественно в виде тонкого листа в сварных соединениях, а также для несварных изделий в больших сечениях
СЕРЫЙ ЧУГУН (ГОСТ 1412 - 85)
СЧ15 ав = 150 МПа Малоответственные детали толщиной стенки 8... 15 мм и неответственные толщиной больше 15 мм - ста- нины и корпусные детали пищевых машин, корпусы клапанов, вентили, вкладыши подшипников и сменные втулки шеек валов свекломоек, детали пельменных и котлетных автоматов, патрубки и др.
5 — 8434
130
Глава 4. ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
Продолжение табл. 4.2
1 2 3
СЧ20 ов = 200 МПа Ответственные детали толщиной стенки 10...30 мм - червяки, цилиндры, цистерны, поршни, кольца, шнеки и цилиндры волчков для измельчения мяса, сектора венцов и червячные колеса фаршемешалок, детали вакуумных насосов к шприцам
СЧЗО ов = 300 МПа Изготовление высоконагруженных деталей сложной конфигурации толщиной стенок 20... 100 мм - цилиндры, крышки цилиндров, малые коленчатые валы, головки матриц макаронных прессов и т.п.
Примечание. К характеристикам механических свойств относятся: ов- временное сопротивление
разрыву; от - предел текучести; твердость НВ или HRC.
В пищевых аппаратах используют также
двухслойные коррозионно-стойкие стали (би-
металл) с основным слоем из стали обыкно-
венного качества, например, ВСтЗкп, с плаки-
рующим слоем, контактирующим с агрессив-
ной технологической средой, - коррозионно-
стойкой сталью 08X13, 12Х18Н10Т и др. Тол-
щина плакирующего слоя составляет в среднем
20 % общей толщины биметалла, что снижает
стоимость по сравнению со стоимостью моно-
литной коррозионно-стойкой сталью при рав-
ной толщине листа и сокращению расхода де-
фицитных никельсодержащих материалов.
Из цветных металлов и сплавов в пище-
вом машиностроении наибольшее распростра-
нение имеют следующие материалы.
Алюминий и его сплавы. Алюминий
первичный (ГОСТ 11069-2001) марок А7, А5 и
АО используют для изготовления коррозионно-
стойких изделий и деталей, контактирующих с
пищевыми средами: резервуаров, трубопрово-
дов, котлов для варки пищи, корыт бетоносме-
сителей и др.
Сплавы алюминиевые деформируемые
(ГОСТ 4784-97) марки АД1, АД применяют
для изготовления коррозионно-стойких изде-
лий и деталей, контактирующих с пищевыми
средами: резервуаров, поплавковых камер и
поплавков молочных сепараторов, стаканов
центрифуг, арматуры трубопроводов и др.
Эти же изделия и детали могут быть из-
готовлены из сплава АМц, из которого полу-
чают также бачки для хранения и транспорти-
ровки пива. Сплав АМгЗ после отжига приме-
няют для производства средненагруженных
деталей, сварных изделий: трубопроводов,
резервуаров, тары для консервов. Он имеет
высокое сопротивление коррозии.
Сплав Д1 используют для изготовления
силовых элементов конструкций: каркасов,
станин, кронштейнов, стоек, фланцев; деталей
молокообрабатываюших машин, сит для про-
сушки мармелада, лотков для транспортировки
хлеба, бидонов для пищевых продуктов.
Сплавы алюминиевые литейные (ГОСТ
1583-93). Из этой группы сплавов наибольшее
применение находит АК12, из которого изго-
товляют тонкостенные детали сложной конфи-
гурации, работающие при малых и средних
нагрузках при максимальной рабочей темпера-
туре 200 °C в условиях контакта с пищевыми
средами, морской водой: арматуру, резервуа-
ры, мешалки, корпусы, кронштейны.
Из сплава на основе алюминий-магний
изготовляют детали простой конфигурации,
требующие повышенной прочности и коррози-
онной стойкости, которые работают при тем-
пературе до 80 °C в контакте с пищевыми сре-
дами и морской водой: арматуру, детали обо-
рудования рыбоперерабатывающей отрасли.
Титан и титановые сплавы деформи-
руемые (ГОСТ 19807-91). Для изготовления пи-
щевых машин и аппаратов применяют титан и
сплавы на его основе в виде листов, лент, фоль-
ги, плит, труб, поковок, штампованных загото-
вок. Достоинство титановых сплавов - малая
плотность, высокие прочностные характеристи-
ки, высокие антикоррозионные свойства.
Сплав ВТ 1-0 стоек в атмосферных усло-
виях, водопроводной, пресной, речной и мор-
ской воде, в щелочных средах, молочной, ук-
сусной и винной кислотах. Из него изготовля-
ют резервуары для хранения, перекачки и пе-
ревозки вина, коньячного спирта и других про-
дуктов. Для этих же целей применяют сплав
ОТ4-1.
МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ПИЩЕВОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
131
Сплав ВТ 14 используют для изготовления
корпусных деталей жидкостных аппаратов в
крахмало-паточной промышленности; реко-
мендуется как качественный заменитель сталей
07X16Н6, 15Х21Н5Т, 14Х17Н2. Из него изго-
товляют дрожжи - растительные аппараты,
варочные котлы, бродильные чаны в пивова-
ренной промышленности.
Медь (ГОСТ 859-91). Медь Ml в холод-
нодеформируемом и в горячедеформируемом
состоянии используют в токопроводящих из-
делиях и деталях: выводах, контактах, прово-
дах, перегонных аппаратах для коньячного
спирта, деталях автомата для формовки кол-
басных изделий и т. п.
Медь М3 в мягком и в твердом состоянии
применяют для производства изделий и дета-
лей, от которых требуется повышенная пла-
стичность и коррозионная стойкость: масло-
проводов, перегонных труб, испарителей, чаш
и варочной аппаратуры, прокладок к жировым
сепараторам и др.
Сплавы медно-цинковые (латуни), об-
рабатываемые давлением (ГОСТ 15527-70).
Латунь Л63 литая, мягкая и твердая находит
наибольшее распространение при изготовле-
нии теплообменной аппаратуры, холодильного
оборудования, а также запорных клапанов к
цистернам для спирта, приспособлений для
снятия матрицы, формующей макаронные из-
делия, деталей автомата для формовки колбас-
ных изделий, труб к линии производства ки-
сломолочных продуктов.
Латунь ЛК80 применяют главным обра-
зом для изготовления сложных по конфигура-
ции деталей приборов и арматуры, работаю-
щих в агрессивных пищевых средах, а также
подвергающихся действию морской воды: вен-
тили к железобетонным резервуарам для вина,
арматура, детали насосов.
Олово (ГОСТ 860-75). Пищевое олово
01, 02 используют в качестве защитного по-
крытия пищеварочных котлов, консервной
жести, арматуры, молокопроводов и других
деталей, контактирующих с пищевыми среда-
ми, а также для пайки, лужения и пр.
Бронзы оловянные литейные (ГОСТ
613-79). Марки БрОЗЦ7С5Н1 и БрО5Ц5С5
применяют для изготовления деталей узлов
трения, работающих при спокойной нагрузке и
малой скорости: втулки, вкладыши (например,
в агрегатах для тонкого измельчения мяса,
шпигорезках).
Бронзы безоловянные литейные
(ГОСТ 493-79). Марку БрА9ЖЗЛ используют
для изготовления деталей узлов трения, рабо-
тающих при знакопеременных и ударных на-
грузках и контактирующих с агрессивными
пищевыми средами: арматуры, рабочих дета-
лей машин, аппаратов, насосов (для сусла, ви-
на, коньячного спирта), втулок фаршемешалок,
корпусных деталей рамок шпигорезок и др.
В пищевом машиностроении в основном
применяют припои оловянно-свинцовые ПОС
90 (ГОСТ 21930-76) для пайки внутренних
швов пищевой посуды, луженых подойников,
тары для консервов и т. п.
Из неметаллических материалов в пище-
вом машиностроении находят применение
различные полимеры и пластмассы на их ос-
нове.
Материалы на основе полиолифинов.
Полиэтилен высокого давления низкой плотно-
сти (ГОСТ 16337-77) разных марок исполь-
зуют как футеровочный материал для трубо-
проводов, шестерен, вентилей и т.п. Например,
полиэтилен марки 17703-010 предназначен для
упаковки рыбы и разных продуктов, изготов-
ления флаконов для хранения 80%-ной уксус-
ной кислоты. Полиэтилен марки 15803-020
используют для изготовления тары в консерв-
ной промышленности для посола и хранения
огурцов, баклажанов, помидоров, капусты и
других овощей, пробок для упаковки стеклян-
ных бутылок с растительным маслом, вином,
тары под мед и продукты пчеловодства и др.
Полипропилен марок 01002, 01005, 01010,
01020 применяют для изготовления оборудо-
вания и деталей, контактирующих с агрессив-
ными пищевыми средами: резервуаров, трубо-
проводов, вентилей и др.
Полиэтиленовая пленка (ГОСТ 10354-
82) марок М, Т предназначена в качестве упа-
ковочного морозостойкого, кислотостойкого и
влагонепроницаемого материала для различ-
ных пищевых продуктов (сухого молока, хле-
ба, плодов, нежирных мясных и рыбных про-
дуктов, плавленого сыра, пищевой соли, мар-
гарина, сахара и др.).
Материалы на основе поливинилхло-
рида. Гранулы поливинилхлоридные марки ТП
используют для изготовления герметизирую-
5*
132
Глава 4. ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
щих прокладок, разрешенных к контакту с
пищевыми продуктами.
Поливинилхлорид суспензионный (ГОСТ
14332-78) марки ПВХ-С-5860, ПЖ (высший и
первый сорт) применяют для производства
пленок и объемной полимерной тары для упа-
ковки пищевых продуктов.
Непластифицированный поливинилхло-
рид - винипласт листовой (ГОСТ 9639-71)
марок ВН, ВД, ВНЭ, ВП применяют в качестве
футеровочного материала, а также для изго-
товления небольших сварных емкостей, арма-
туры, трубопроводов, бункеров, работающих
при температуре 0...+60 °C (допускается ниж-
ний предел эксплуатации до -50 °C), при от-
сутствии механических воздействий на листы
(удар, вибрация и пр.). Он имеет хорошую сва-
риваемость и склеиваемость, высокие диэлек-
трические свойства. При конструировании
трубопроводов из винилпласта предусматри-
вают компенсаторы в виду его высокого тем-
пературного коэффициента линейного расши-
рения.
Поливинилхлоридная пленка под пищевые
продукты и лекарственные средства (ГОСТ
25250-88) марок П-74ЭМ и П-73ЭМ предна-
значена для получения непрозрачной, полупро-
зрачной (П-74ЭМ) и прозрачной (П-73ЭМ)
тары под пищевые продукты. Из пленки
П-73ЭМ изготовляют также бутылки под рас-
тительное масло, тару под молочные продукты
(творог, сметану, сливочный сыр, сырково-
творожные изделия), а также под варенье,
джем, повидла.
Материалы на основе фторопластов.
Фторопласт-4 (ГОСТ 10007-80) марок С, П,
ПН, О и Т используют для изготовления дета-
лей и изделий, контактирующих с пищевыми
продуктами и средами: матриц макаронных
прессов, облицовки валов для раскатки теста и
формование конфет и карамели без подмазок и
подсыпок. Фторопласт-4 применяют также для
изготовления деталей молочного оборудования
при температуре продукта до 70 °C, прокладок
для винодельческого оборудования и т.д.
Пленку из изоляционного фторопласта-4
марок Ф-4ИО и Ф-4ИН применяют для между-
слойной электроизоляции в аппаратах, сбороч-
ных единицах и деталях; для изготовления
мелкоформатной тары для упаковки приправ
(хрена, горчицы, майонеза). Толщина пленки
0,02...0,20 мм.
Материалы на основе полистерола. По-
листерол общего назначения (ГОСТ 20282-86)
марок ПСЭ-1, ПСЭ-2, ПСС с рабочей темпера-
турой +65...-40 °C используют для изготовле-
ния сварных резервуаров, трубопроводов и
других легален, контактирующих с пищевыми
средами влажностью не выше 15 %; изделий
для многократного контакта с фруктово-
овощными соками, фруктами, овощами и без-
алкогольными напитками (ПСС). Недостатки
полистерола - хрупкость и подверженность
старению.
Ударопрочный полистерол марки
У ПС 1002 используют для изготовления изде-
лий, контактирующих при нормальной темпе-
ратуре с сыпучими (соль, сахар и т.п.) продук-
тами, фруктово-овощными соками и безалко-
гольными напитками, фруктами, овощами и
ягодами, а также для кратковременного кон-
такта с пивом и вином.
Полистерол марки УПМ 0503 разрешен
для контакта с мясным фаршем, молочными
продуктами и т.п.
Материалы на основе полиакрилатов.
Органическое листовое стекло (ГОСТ 10667—
90) предназначено в качестве футеровочного
материала, а также для изготовления узлов и
деталей, непосредственно контактирующих с
пищевыми средами (сиропы, насыщенные рас-
творы поваренной соли, манная крупа и т.п.),
небольших сварных резервуаров, трубопрово-
дов и т.п. Обладает хорошей свариваемостью и
обрабатываемостью резанием, имеет свето-
стойкость 2,2...2,5 %.
Материалы на основе целлюлозы и
эфиров целлюлозы. Целлюлозная пленка
(ГОСТ 7730-89) марки П применяется как упа-
ковочный материал для пищевых продуктов.
Пленка может быть окрашенной и неокрашен-
ной, лакированной и нелакированной, необра-
ботанной и обработанной антибиотиком, мо-
дифицированной.
Резинотехнические изделия (РТИ), кон-
тактирующие с пищевыми продуктами и сре-
дами, в зависимости от технологической сре-
ды, интервала рабочих температур и степени
твердости РТИ классифицируют на следующие
группы (табл. 4.3).
МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ПИЩЕВОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
133
4.3. Группы резинотехнических изделий
Технологическая среда Интервал рабочих температур, °C Степень твердости Группа
Молоко, сливки, молочные продук- ты, мясо, рыба От -30 до +70 М 10
С 11
П 12
» -30 » +100 м 13
с 14
п 15
»-30 » +140 м 16
с 17
Жиры, масла растительные, живот- ные и жиросодержащие продукты, майонез »-30 » +70 м 20
с 21
п 22
»-30 » +100 м 23
с 24
п 25
»-30 » +140 м 26
с 27
Фрукты, овощи, фруктово-ягодные и овощные соки, пюре и консервы, пиво, дрожжевая суспензия, питьевая вода, квас, сахарные сиропы и др. безалкогольные налитки »-30 » +70 м 30
с 31
п 32
»-30» +100 м 33
с 34
п 35
»-30 » +140 м 36
с 37
Рыбные, мясные, овощные консервы, соленые мясные и рыбные продукты, овощи и грибы маринованные и квашенные (соленые) »-30 » +70 м 50
с 51
п 52
»-30 » +100 м 53
с 54
п 55
»-30 » +140 м 56
с 57
Мисцелла »-30 » +70 м 60
с 61
п 62
Примечания:
I. Для продуктов, содержащих менее 15 % влаги (крупа, зерно и др ), разрешается применять любую ре-
зину, разрешенную Минздравом РФ, используемую для контакта с жидкими пищевыми средами.
2. Применение резины групп 16, 17, 26, 27, 36, 37, 56, 57 требует дополнительного согласования.
3. Физико-механические свойства групп резины в зависимости от ее степени твердости приведены в табл. 4.4.
134
Глава 4. ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
4.4. Физико-механические свойства групп резины в зависимости от ее твердости
Показатели Степень твердости
М С П
Условная прочность при разрыве, МПа, не менее 4,4 3,9 5,9
Относительное удлинение при разрыве, %, не менее 350 250 150
Относительная остаточная деформация после разрыва, %, не более 45 40 25
Твердость по Шору 35...55 50...70 65...85
Примечания:
1. Изменение относительного удлинения после старения на воздухе за 24 ч при температуре 70... 100 °C.
2. Коэффициент теплостойкости по сопротивлению разрыву за 6 ч при 143 °C для резины, работоспособ-
ной при температуре от-30 до +140 °C 0,7, не менее.
3. Прочность связи резины с металлом 1,5 МПа, не менее.
4.4. ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
РАБОЧИХ ОРГАНОВ ПИЩЕВЫХ МАШИН
Основными видами заготовок деталей
и рабочих органов в пищевом машино-
строении являются отливки из черных и цвет-
ных металлов, поковки и штамповки, заготовки
из листового металла, проката, сварные заго-
товки, заготовки из порошковых и неметалли-
ческих материалов.
Большинство отливок получают из серо-
го и модифицированного чугуна, а также кор-
розионно-стойких сталей с применением ма-
шинной формовки по деревянным и металли-
ческим моделям.
Заготовки простых форм в условиях мел-
косерийного производства получают открытой
формовкой в песчаную форму по моделям. Для
деталей мелких и средних размеров, имеющих
форму тел вращения, применяют ручную фор-
мовку по моделям.
Отливки сложной конфигурации изготов-
ляют в формах, собираемых из стержней по
шаблонам и кондукторам. Для изготовления
гильз, втулок, труб, мукомольных валков и др.
используют центробежное литье.
Литьем в оболочковые формы получают
заготовки деталей клапанов, корпусов ножей к
измельчителям мяса и т.д. Для изготовления
фасонных деталей широко используют литье
по выплавляемым моделям.
Для получения кованых и штампованных
заготовок используют способ свободной ковки
на ковочных моделях и гидравлических ковоч-
ных прессах. Форма заготовки, полученной по
этому способу, характеризуется грубым при-
ближением к форме готовой детали и требует
больших затрат на последующую механиче-
скую обработку. Для большего приближения
формы заготовки к форме готовой детали при-
меняют подкладные штампы. Заготовку, вы-
полненную свободной ковкой, помещают в
подкладной штамп, в котором она принимает
форму, более близкую к форме готовой детали.
В пищевом машиностроении широко ис-
пользуют штамповку заготовок из листового
металла. Исходный материал для листовой
штамповки - листовой прокат, полосы, ленты.
Заготовки, получаемые из листа холодной
штамповкой, отличаются точностью размеров,
в большинстве случаев не нуждаются в после-
дующей механической обработке и поступают
непосредственно на сборку. Горячей листовой
штамповкой получают заготовки из материала
толщиной более 8... 10 мм днища и деталей
пищевых машин и аппаратов, варочных кот-
лов, резервуаров, цистерн и др.
Из проката изготовляют разнообразные
детали, по конфигурации близкие к какому-
либо виду проката, например: пружины - из
проволоки; клапанные пластины - из листово-
го проката; детали теплообменных аппаратов -
из проката труб или листов.
Сварные заготовки в основном исполь-
зуют для стальных деталей сложной конфигу-
рации, когда из одного куска проката нельзя
или экономически невыгодно делать заготовку.
На рис. 4.1, а, б показаны соответственно
поковка и штампосварная заготовка для осно-
вания барабана сепаратора. При применении
ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РАБОЧИХ ОРГАНОВ
135
Рис. 4.1. Заготовки для основания барабана сепаратора:
а - поковка; б - штампосварная
штампосварной заготовки значительно снижа-
ется расход материала (высоколегированной
стали) и объем механической обработки. На-
груженную цилиндрическую часть основания
барабана получают из трубы соответствующих
размеров, а ступицу - из точной штамповки.
Для качественного соединения трубы со
ступицей целесообразно использовать диффу-
зионную сварку в вакууме, при которой обес-
печивается однородное и прочное соедине-
ние поверхности стыка с высокими поверхно-
стными характеристиками, близкими к проч-
ностным характеристикам основного мате-
риала.
Заготовки из порошковых материалов
получают прессованием смесей порошков в
пресс-формах под давлением 100...600 МПа с
последующим спеканием спрессованных дета-
лей. Из порошков твердых сплавов, содержа-
щих карбиды тугоплавких металлов, получают,
например, закаточные ролики автоматов кон-
сервного производства, а также детали из ком-
позиций, состоящие из металлов и неметалли-
ческих материалов (медь-графит и др.) и из
пористых материалов (фильтры разнообразно-
го назначения).
Достоинство порошковой технологии -
возможность изготовления деталей, практиче-
ски не требующих механической обработки.
Правильный выбор способа получения
заготовок позволяет уменьшить объем механи-
ческой обработки, ограничивая ее чистовыми
отделочными операциями с наибольшей про-
изводительностью и наименьшим отходом
материала.
При рациональном выборе вида и спосо-
ба получения заготовки учитывают: конфигу-
рацию, размеры и массу детали; материал и
предъявляемые к нему требования; размеры
припусков на обработку; число деталей, под-
лежащих изготовлению; точность обработки и
шероховатость поверхностей детали.
Выбор и обоснование методов обработ-
ки, обеспечивающих заданную точность разме-
ров и геометрической формы поверхностей
детали, а также качество поверхности, один из
наиболее важных этапов проектирования тех-
нологических процессов. Качество поверхно-
сти определяется ее геометрическими характе-
ристиками (волнистостью, шероховатостью,
направлением неровностей) и физико-механи-
ческими свойствами поверхностного слоя.
На износостойкость деталей существенно
влияет шероховатость их поверхностей. К ше-
роховатости и состоянию поверхностного слоя
деталей оборудования пищевых производств
предъявляют особые требования, которые пре-
допределяются следующим.
Контактное взаимодействие двух движу-
щихся друг относительно друга деталей пище-
вых машин подчинено общим закономерно-
стям. Однако имеют место особенности, за-
ключающиеся в воздействии на поверхность
деталей продуктов переработки (зерна, мяса,
овощей и др.) либо моюще-дезинфекционных
растворов при санитарной обработке машин.
Особенностью является в ряде случаев и среда,
в которой работают трущиеся детали, напри-
мер, оборудование сахарных заводов значи-
тельно подвержено воздействию абразивных
включений.
Кроме того, в состав продуктов расти-
тельного и животного происхождения входят в
136
Глава 4. ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
большом количестве сильные поверхностно-
активные вещества (олеиновые, стеариновые
кислоты и др.), которые оказывают большое
влияние на механизм и интенсивность изнаши-
вания поверхностного слоя.
Таким образом, наряду с правильным вы-
бором материала высокое качество поверхно-
сти деталей пищевого оборудования обеспечи-
вается назначением рационального метода и
режимов обработки.
Для снижения отрицательного воздейст-
вия содержащихся в перерабатываемых про-
дуктах поверхностно-активных веществ на
коррозионные процессы и сопротивление уста-
лости поверхности деталей пищевых машин,
контактирующих с пищевыми средами, долж-
ны иметь малую шероховатость.
Детали транспортирующих машин (но-
рии, лотки, трубопроводы и др.), по которым
перемещаются пищевые продукты, также
должны иметь малую шероховатость.
Детали пищевых машин, работающие в
условиях абразивного изнашивания или удар-
ных нагрузок (молотки дробилок, диски и
пальцы мельниц и т.п.), должны иметь наклеп
поверхностного слоя, который препятствует
интенсивному изнашиванию и возникновению
усталостных трещин.
Неровности поверхностей деталей, со-
прикасающихся с вязкими пищевыми продук-
тами (тесто, шоколадная масса и т.п.), способ-
ствуют прилипанию (адгезии) продукта к ме-
таллической поверхности. Для снижения адге-
зии продукта целесообразно поверхности таких
деталей полировать или шлифовать. Кроме
того, наличие микронеровностей, сколов и
выровов, образовавшихся в результате механи-
ческой обработки, а также раковин, пор, тре-
щин при литье, сварке и обработке давлением
может удерживать пищевые продукты на по-
верхности деталей и затруднять санитарную
обработку машины.
Особенности технологии изготовления
рабочих деталей, наиболее широко применяе-
мых в пищевых машинах, приведены ниже.
Решетки-измельчители (рис. 4.2) явля-
ются основными рабочими элементами режу-
щих механизмов мяса и других продуктов. Они
работают совместно с вращающимися кресто-
выми ножами. В процессе эксплуатации ре-
шетки подвергаются интенсивному изнашива-
нию по торцевым плоскостям и кольцевым
режущим кромкам отверстий.
Рис. 4.2. Решетка-измельчитель
Машины комплектуются набором реше-
ток с отверстиями различного диаметра. Как
правило, отверстия диаметром = 1,6...
5,0 мм на поверхности решетки располагаются
по ромбической сетке с углами 60 и 120 °, от-
верстия больших диаметров - по концентриче-
ским окружностям. Число и шаг отверстий
зависят от размеров решетки и диаметра отвер-
стий.
Технические условия для решетки сле-
дующие:
1) материал должен быть таким, чтобы
обеспечивалась максимальная износостойкость
и долговечность в эксплуатации, а также хо-
рошая обрабатываемость резанием в отожжен-
ном состоянии;
2) твердость должна быть не ниже
60 HRC;
3) число отверстий зависит от их диамет-
ра и определяет производительность оборудо-
вания для измельчителей мяса, число отвер-
стий диаметром 1,6 мм должно быть не менее
5280; диаметром 2 мм - не менее 3950, диамет-
ром 3 мм - не менее 1650;
4) допускаемое число отверстий, заглу-
шенных поломанным сверлом, для решеток с
отверстиями диаметром 1,6 мм - 0,4 %, 2 мм -
0,3 %, 3 мм - 0,2 %. Для решеток других типов
число отверстий указывается в чертежах;
5) отклонение от параллельности торцо-
вых плоскостей не более 0,05 мм;
6) отклонение от соосности центрального
отверстия относительно наружного диаметра
решетки не более 0,02 мм;
7) система расположения отверстий
должна быть такой, чтобы обеспечивалась тех-
нологичность конструкции, а также возможно
было применение автоматизированных спосо-
бов обработки;
8) допуск на диаметр отверстий (вследст-
вие разбивки и отклонения размеров сверл)
должен составлять ± 0,1 мм;
ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РАБОЧИХ ОРГАНОВ
137
9) шероховатость Ra торцовых поверхно-
стей должна быть не менее 0,63 мкм.
Материал. Для изготовления решеток-
измельчителей применяют различные материа-
лы: инструментальные углеродистые стали У7,
У8А, инструментальные легированные стали
9ХС, ХВГ, конструкционные углеродистые и
легированные стали 65Г, ЗОХНЗА, 40X13,
XI2M и др.
При эксплуатации оборудования для тон-
кого измельчения мяса наблюдается повышен-
ный износ решеток. Средняя продолжитель-
ность работы решетки из стали У8А до пере-
точки составляет один-два рабочих дня (при
двухсменной работе), а из ХВГ - не более че-
тырех рабочих дней; предельный износ решет-
ки наступает через 10-15 рабочих дней.
Увеличение износостойкости и долговеч-
ности решеток-измельчителей связано прежде
всего с правильным выбором материала, ра-
циональным расположением отверстий по ра-
бочей поверхности решетки и технологией ее
изготовления, включая режим термической
обработки.
Большой интерес представляют износо-
стойкие (шарикоподшипниковые) стали LL1X15
и ШХ15СГ, легированные недефицитными
элементами. Эти стали легко поддаются обра-
ботке резанием в отожженном состоянии, по-
сле термической обработки обладают высокой
ударной вязкостью и режущими свойствами. В
горячем состоянии сталь LL1X15 легко куется,
поддается деформации прокаткой и высадкой.
Сталь обладает хорошей прокаливаемостью,
после закалки и низкого отпуска имеет твер-
дость до 65 HRC.
Износостойкость решеток из сталей
ШХ15 и ШХ15СГ в 3,5 - 4 раза превышает
износостойкость решеток из сталей У8 и У8А и
в 2 - 2,5 раза износостойкость решеток из де-
фицитной стали ХВГ.
Не рекомендуется изготовлять решетки
из стали типа 40ХМЮА, подвергаемой азоти-
рованию и закалке для повышения износостой-
кости, и из цементуемой и закаленной стали
СтЗ. По мере истирания поверхностных слоев
решеток из таких материалов твердость их
снижается и резко увеличивается интенсив-
ность износа.
Заготовки для решеток-измельчителей.
Решетки с отверстиями диаметром более 6 мм
получают литьем по выплавляемым моделям.
В этом случае механической обработке под-
вергаются лишь торцовые поверхности, а на-
ружный и внутренний диаметр отверстия не
обрабатываются. После термической обработ-
ки (закалки с последующим отпуском) решетки
шлифуются с двух сторон на плоскошлифо-
вальных станках. Более производительной яв-
ляется обработка решеток торцом круга на
плоскошлифовальном станке мод. 3754 (с
круглым столом и вертикальным шпинделем).
Для решеток, отверстия в которых свер-
лятся (диаметром менее 5 мм), используют
поковки, а также штучные заготовки, получен-
ные резкой листового материала. Более эконо-
мичными являются заготовки в виде точных
штамповок со сквозным центральным отвер-
стием. Применение таких заготовок в 1,5 —
2 раза повышает коэффициент использования
материала вследствие уменьшения припусков
на механическую обработку. Кроме того, уп-
рощается установка и базирование детали на
первой токарной операции.
Технология изготовления . заготовок для
решеток-измельчителей из стали ШХ15СГ
состоит в следующем:
осадку заготовок производят при темпе-
ратуре 1050 °C до диаметра 255+2 и толщины
16+2 мм на паровоздушном молоте с массой
падающих частей 3 т;
прошивку центрального отверстия диа-
метром 112_2 мм осуществляют на кривошип-
ном прессе типа «Эмуко» с массой падающих
частей 400 т.
Операции осадки и прошивки произво-
дятся с одного нагрева.
Полученные заготовки подвергают отжи-
гу для улучшения обрабатываемости резанием
в электропечи типа ДТА-600, которая имеет сле-
дующие температурные зоны: I - 820 ± 10 °C,
II - 800 ± 10 °C, III - 760 ± 10 °C, IV - 700 ±
± 10 °C, V - 600 ± 10 °C. Общее время отжига
составляет 18 ч. Твердость от отожженных
поковок должна находиться в пределах 179...
207 НВ. Микроструктура отожженных загото-
вок должна состоять из зернистого и мелкозер-
нистого перлита без участков пластинчатого
перлита.
Базирование и план обработки решеток-
измельчителей соответствует обработке дета-
лей типа дисков.
Ниже приведен типовой технологический
процесс механической обработки решеток-
измельчителей, состоящий из операций:
1) токарно-сверлильной. Заготовка уста-
навливается в трехкулачковом патроне. Черно-
вой базой служит наружная цилиндрическая
138
Глава 4. ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
поверхность и торец. Обтачивается торец,
сверлится (если в заготовке нет прошитого при
штамповке отверстия) центральное отверстие.
Затем заготовка переставляется и поджимается
центром, обтачивается начерно наружный
диаметр. Обтачивается второй торец, затем
рассверливается и растачивается центральное
отверстие с припуском под окончательное рас-
тачивание после термической обработки в пре-
делах 0,3 мм на диаметр. При этом необходимо
точно выдержать параллельность торцовых
поверхностей (отклонение от параллельности
не должно превышать 0,05 мм), так как несо-
блюдение этих требований затрудняет сверле-
ние отверстий и способствует увеличению
числа поломок инструментов;
2) токарной, предназначенной для обта-
чивания наружного диаметра и фаски. На оп-
равку устанавливают одновременно 10 загото-
вок;
3) фрезерной, фрезеруется шпоночная ка-
навка на горизонтально-фрезерном станке;
4) сверлильной, наиболее трудоемкой. В
мелкосерийном производстве (например, в
условиях ремонтно-механических предприятий
при производстве решеток для запасных час-
тей) сверление производится на настольно-
сверлильных станках типа НС-12 с ручной
подачей. Разметка производится по накладно-
му кондуктору.
Для решеток с большим числом отвер-
стий малого диаметра процесс сверления зани-
мает много времени и связан со значительным
расходом сверл из-за их поломки при ручной
подаче. Так как точность станка значительно
влияет на работоспособность сверл малого
диаметра и число их поломок, необходимо
периодически проверять биение шпинделя и
своевременно производить затяжку регулиро-
вочных гаек. Целесообразно использовать вер-
тикально-сверлильные станки повышенной
точности мод. 2А106 и С-155, а сверла с уко-
роченной рабочей частью (< 15 мм) для повы-
шения жесткости и устойчивости при продоль-
ном изгибе. По возможности вылет сверл сле-
дует уменьшить.
После термической обработки для сталей
типа ШХ15СГ предусматривается закалка с
830 ± 10 °C в масле и отпуск камерной элек-
трической печи при температуре 160... 175 °C, в
течении 3 ч.
Решетки шлифуют с двух сторон, выдер-
живая размер по толщине, а затем окончатель-
но растачивают посадочное отверстие гексани-
товым или эльборовым резцом, так как после
закалки твердость решеток 60...64 HRC. По-
вышение производительности операции свер-
ления отверстий в решетке и сокращение за-
трат ручного труда достигается применением
вместо одношпиндельных многошпиндельных
агрегатных сверлильных станков с ЧПУ.
Шнеки отличает наличие витков, распо-
ложенных по винтовой поверхности в про-
дольном направлении с большим шагом.
Ленточные шнеки с витками из полосо-
вой стали используют в машинах для переме-
шивания сыпучих пищевых продуктов, мясно-
го фарша, для транспортирования кусковых
грузов. Шнеки со сплошной винтовой поверх-
ностью применяют в различных транспорти-
рующих механизмах для перемещения сухих
сыпучих продуктов, перемешивания пластич-
ных (тестообразных) продуктов, в машинах для
измельчения и прессования пищевых и кормо-
вых продуктов и т.п.
По направлению витков различают шне-
ки: правые и левые, с постоянным и перемен-
ным шагом, по конструктивному признаку -
цельные, когда витки выполнены как одно
целое с валом, сборные и сборно-сварные. В
цельных шнеках витки можно изготовлять
литьем или обрабатывать на токарных станках.
Наиболее распространены сборно-
сварные шнеки, в которых винтообразная лен-
та приварена ручной или автоматической свар-
кой к цельному или пустотелому валу (трубе).
Технология изготовления сборно-сварных
шнеков, характерная для единичного и мелко-
серийного производства, состоит в следующем.
Лист разрезают на полосы требуемой ширины,
а затем штампуют отдельные звенья шнека
(вырезка по контуру, пробивка отверстия и
просечка паза). Звенья зигуют и сваривают в
спираль требуемой длины. Полученную спи-
раль надевают на вал шнека и приваривают
один конец. Затем производят растяжку спира-
ли по валу или несущей трубе для получения
равномерного шага винтовой линии и прихват-
ку ее в отдельных местах. После обрубки кон-
цов спирали ее окончательно приваривают к
валу прерывистым или сплошным швом по
всей длине. При необходимости после привар-
ки ленты правят валы шнека и шнек подверга-
ют балансировке.
Возможно изготовление шнеков со
сплошной винтовой поверхностью (из ленты)
методом холодной и горячей прокатки на спе-
циальных станках.
ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РАБОЧИХ ОРГАНОВ
139
Применяемый материал и вид заготовок.
Шнеки изготовляют из конструкционных и
коррозионно-стойких сталей в зависимости от
назначения и условия работы, например, литые
шнеки - из серого чугуна СЧ20, стали 45Л,
цветных сплавов (бронза БрА9Мц2Л, алюми-
ниевые сплавы и др.).
Для экономии коррозионно-стойкой ста-
ли на рабочие поверхности шнеков, применяе-
мых для транспортирования, смешивания или
прессования влажных и тестообразных пище-
вых продуктов, наносят коррозионно-стойкие
покрытия (лужение пищевым оловом 01 и 02,
твердое хромирование Х60 и др.).
Цельные механически обрабатываемые
шнеки изготовляют из прутка соответствую-
щего размера. В качестве заготовок сварных
шнеков используют трубы и прутки (для
стержней) и листовые материалы и стальные
горячекатаные ленты (для отдельных перьев и
спирали).
Технические условия на шнеки зависят от
назначения и условий их работы, а также от
вида заготовки и устанавливаются рабочими
чертежами. Основные требования следующие:
радиальное биение наружного диаметра в
пределах 0,1...0,2 мм;
рабочая поверхность шнека должна быть
гладкой, не допускаются раковины, острые
кромки, наплывы сварных швов и т.д.;
должна быть выдержана концентрич-
ность наружного диаметра шнека к оси стерж-
ня.
Ленточный шнек Л5-ФМУ-335 (рис 4.3).
При изготовлении необходимо выдержать ра-
диальное биение поверхности D относительно
общей оси не более 1,5 мм; торцовое биение
поверхностей Е относительно общей оси не
более 1,5 мм; отклонение от соосности отвер-
стий К относительно общей оси не более
0,5 мм.
Спираль изготовляют из полосы
20/50/3600 мм. Материал - сталь 08Х22Н6Т.
Технологический процесс состоит из следую-
щих операций:
1) шлифовально-полировальной. Предва-
рительно поверхность полосы зачищают и
шлифуют с двух сторон при помощи ручной
шлифовальной машины войлочным кругом, на
который периодически наносят абразивную
смесь, состоящую из стеарина со шлифоваль-
ным порошком 24А10 (ГОСТ 3647-80), до
шероховатости Ra = 2,5 мкм. Затем поверх-
ность полосы полируют, применяя шлифо-
вальные порошки 24А8 и 24А6, до шерохова-
тости Ra = 1,6 мкм;
2) токарной. Производят навивку спира-
ли диаметром 354 ± 1,5 мм с шагом / = 325 ±
± 1,0 мм на токарном станке с применением
специального приспособления с опорными и
направляющими роликами на оправке соответ-
ствующего диаметра. При этом длина прямо-
линейных участков конца спирали должна
быть не менее 200 мм;
3) слесарной. Предназначена для отреза-
ния концов спирали до размера 994 ± 1 мм и
выполнения разметки на спирали мест уста-
новки трех стяжек:
4) сварочной. Собирают узел из спирали /
и трех стяжек 2 в кондукторе, прихватывают и
производят сварку узла в углекислом газе на
полуавтомате А-825М. После сварки произво-
дят правку на плите;
Рис. 43. Ленточный шнек Л5-ФМУ-335:
1 - спираль; 2- стяжка; 3 4- планки
1.6
140
Глава 4. ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
5) сварочной. Сваривают спираль шнека с
левой и правой планками в кондукторе на том
же полуавтомате;
6) слесарной. Зачищают сварные швы,
опиливают неровности и острые кромки, про-
изводят окончательную правку шнека.
Шнек пресса для формования сырых ма-
каронных изделий ЛПЛ-2М (рис. 4.4). Отличи-
тельной особенностью данного шнека является
то, что витки образуются точением в сплошном
материале. В качестве заготовок используют
отрезки прутков диаметром 130 и длиной 1407
мм, материал - сталь 40Х. Базой являются цен-
тровые отверстия. Для повышения жесткости
системы СПИД используют люнет.
Винтовая поверхность шнека обтачивает-
ся на токарно-винторезном станке мод. 163 с
предварительным фрезерованием заход ной
части в двух местах по разметке. Обработка
производится при двух установках. Обеспечи-
вается шероховатость поверхности витка Ra =
= 2,5 мкм. Концы витков фрезеруют на станке
6М12П, не допуская перепада поверхностей, до
шероховатости Ra = 1,25 мкм. Концы витков
шнека опиливают по радиусу 10 мм, а поверх-
ность витков доводится до шероховатости
Ra= 1,25 мкм. Окончательная обработка вит-
ков шнека - полирование под хромирование до
шероховатости Ra = 0,32 мкм.
Шнек подвергается злектролитическому
твердому хромированию. Левую резьбу М20 -
7Н и шейку диаметром 40h8 на длине 54_0,4 мм
необходимо зачищать. Диаметр посадочной
шейки 120Ы 1 выдерживают после покрытия.
Обработка остальных поверхностей
(кольцевых канавок, шпоночных пазов, торце-
вого паза 45,5/103 мм и др.) выполняется так
же как и при обработке обычных валов.
Рабочий шнек волчка К6-ФВЗП-200
(рис. 4.5). Шнек сварной конструкции состоит
Рис. 4.4. Шнек пресса для формования сырых макаронных изделий ЛПЛ-2М
Рис. 4.5. Рабочий шнек волчка К6-ФВЗП-200:
1 - несущая труба; 2 - спираль; 3 - втулка; 4 - вкладыш; 5 - фланец
ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РАБОЧИХ ОРГАНОВ
141
из несущей трубы 1 и приваренной к ней спи-
рали 2 с переменным шагом навивки; для соз-
дания посадочных мест предусмотрена уста-
новка втулки 3 с одной стороны и вкладыша 4
с фланцем 5 - с другой.
Технические условия на обработку сле-
дующие:
отклонение от соосности наружной по-
верхности витков шнека относительно отвер-
стия диаметром 60 Н8 не более 0,12 мм;
отклонение от соосности отверстия диа-
метром 50Н7 относительно отверстия диамет-
ром 60Н8 не более 0,05 мм;
отклонения размеров шага витков спира-
ли допускаются в пределах ± 5,0 мм;
сварные швы должны быть зачищены до
шероховатости Rz < 80.
Предварительно изготовляют все детали,
входящие в узел. Навивка спирали производит-
ся на специальном стенде из полосы 8x50 мм
длиной 2000 мм. Материал - сталь 08X13. По-
лосу приваривают к фланцу оправки, на кото-
рый перед навивкой размечают витки спирали
ио шаблону. Затем производят навивку путем
гибки полосы вокруг оправки с направлением
витка по предварительной разметке. Для
уменьшения силы при гибке полоса прогрева-
ется при помощи газовой горелки.
При обработке трубы диаметром 70 мм
толщиной стенки 7 мм из стали 12Х18Н9Т
предусматривается технологическая прибыль
со стороны фланца длиной 48 мм для после-
дующей механической обработки шнека в сбо-
ре после сварки. В трубе растачиваются отвер-
стия с двух сторон диаметром 58Н8 на длине
83 и 180 ± 0,5 мм, а также обтачивается по-
верхность диаметром 68Н8 под фланец. Свер-
лятся восемь отверстий диаметром 18 мм.
Далее производится сборка и сварка
фланца и спирали шнека на полуавтомате
А-825М в среде углекислого газа. Может быть
использована аргонодуговая сварка, обеспечи-
вающая высокое качество сварных швов.
Дальнейшая механическая обработка
шнека ведется в сборе.
Корпусные детали. Наиболее сложными
и ответственными деталями в современных
машинах пищевых производств различного
назначения являются корпусные детали. Базо-
вые поверхности этих деталей определяют
положение собранного узла относительно дру-
гих узлов машины, а основные отверстия -
заданное положение деталей и отдельных ме-
ханизмов внутри корпуса.
Трудоемкость обработки корпусных де-
талей машины средних размеров достигает
15...20 % общей трудоемкости механической
обработки машины.
Конструкция корпусных деталей зависит
от их назначения и типа машины. Эти конст-
рукции очень разнообразны по конфигурации и
размерам. При изготовлении корпусных дета-
лей наиболее ответственными и трудоемкими
операциями являются расючные, влияющие на
точность работы машины и срок её службы.
Основные отверстия с точным расстояни-
ем между осями могут быть расположены в
стенках и перегородках корпусной детали,
иметь постепенно уменьшающиеся диаметры
или по мере удаления от наружных стенок уве-
личивающиеся диаметры.
Допускаемое отклонение от прямолиней-
ности базовых поверхностей корпусных дета-
лей колеблегся в пределах 0,05 ...0,1 мм; от-
клонение от параллельности - до 0,1 мм на
длину детали.
В корпусных деталях основные отверстия
обычно изготавливают по 6 - 9-му квалитету, с
шероховатостью поверхности Ra = 2,5...
0,63 мкм, иногда Ra = 0,32...0,16 мкм. Допуски
параллельности осей лежат в пределах 0,03...
0,05 мм по всей длине детали; допуски на раз-
мер от оси отверстия до базовой поверхности
0,05...0,2 мм; допуски на межосевые расстоя-
ния 0,02...0,2 мм. Допуск соосности отверстий
устанавливают в пределах половины допуска
на диаметр меньшего из отверстий. Отклоне-
ние от перпендикулярности опорных торцов к
осям отверстий допускается в пределах 0,01...
0,05 мм на 100 мм длины радиуса.
Высокие требования к размерам корпус-
ных деталей объясняются тем, что от их точно-
сти часто зависит общая точность изделия.
Технологический процесс обработки ста-
нины сепаратора, как наиболее распространен-
ного типа оборудования в пищевой промыш-
ленности, представлен ниже.
Станина жидкостного сепаратора слу-
жит для размещения приводного механизма и
основных сборочных единиц сепаратора. В ней
предусмотрены гнезда для установки горизон-
тального и вертикального валов и полость для
масляной ванны. В станине имеется люк для
осмотра зубчатой пары, закрываемый крыш-
кой, на которой монтируют тахометр. В ниж-
ней части станины имеется отверстие для
спуска отработанного масла и конденсата, за-
крываемое пробкой. В опорных лапах преду-
смотрены отверстия под фундаментные болты.
142
Глава 4. ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
Технические условия на отливку сле-
дующие:
станина является базовой деталью сепа-
ратора, которую отливают из серого чугуна
марок СЧ20, СЧ15. СЧ18, твердость 170...
229 НВ;
масса станины составляет не менее 70 %
общей массы сепаратора, поэтому при изготов-
лении отливки необходимо уделять особое
внимание экономии металла;
в станине сепаратора находится масляная
ванна, поэтому литье должно быть плотное для
предотвращения утечки масла через опоры;
литейные радиусы R = 5 мм.
Технические условия на обработку дета-
ли следующие:
допустимое биение торцов по отношению
к отверстиям - не более 0,05 мм;
отклонение от соосности отверстий диа-
метрами 160Н8 и 90Н7 должно быть не более
0,02 мм; .
отклонение от перпендикулярности гори-
зонтальной и вертикальной осей отверстий - не
более 0,015 мм надлине 100 мм;
основные отверстия выполняют по 7-му
квалитету, с шероховатостью поверхности
Ra = 2,5...1,25 мкм;
после черновой обработки следует произ-
вести искусственное старение для снятия оста-
точных напряжений, возникающих при литье и
черновой обработке, и стабилизацию геомет-
рической формы и размеров;
станину из чугуна второго класса группы
А следует нагревать до температуры 500 ±
±20 °C;
острые кромки необходимо притупить;
лицевые наружные поверхности и чашу
станины следует окрасить светло-кремовой
эмалью ПФ-115, нелицевые поверхности и
картер станины - слоем грунта ФЛ-03К.
Перед механической обработкой отливку
очищают от пригара песка и наплывов, осо-
бенно масляную ванну и чашу; проводят испы-
тания отливки на непроницаемость керосином
с выдержкой не менее 8 ч.
Схема технологического процесса обра-
ботки станины жидкостного сепаратора приве-
дена ниже (рис. 4.6).
1. Черновая обработка лап и торца бо-
бышки (рис. 4.6, а), выполняемая на токарно-
карусельном или продольно-фрезерном станке.
Отливку устанавливают чашей в приспособле-
ние, выверяют и размечают положение плоско-
сти лап в размер 245 мм от горизонтальной
оси. Затем обтачивают или фрезеруют плоско-
сти лап по разметке. Подрезают торец бобыш-
ки в размер 63 мм (см. рис. 4.6, а).
2. Расточная (рис. 4.6, б) - обработка ча-
ши, горловой опоры и отверстия под обойму
подпятника, подрезка торцов чаши и горловой
опоры. Обработку производят на токарно-
карусельном станке. Станин} устанавливают
на плоскость лап. выверяют по наружному
диаметру чаши и крепят прижимными планка-
ми. Отверстие диаметром 160Н8 под корпус
горловой опоры растачивают, а отверстие диа-
метром 90Н7 под обойму подпятника растачи-
вают, а затем развертывают в два перехода.
Калибрование отверстия диаметром 90Н7
можно также производить на прошивочном
станке.
3. Расточная (рис. 4.6, в) - обработка от-
верстий под электродвигатель, фланец и под-
шипники горизонтального вала, подрезка тор-
цов. Обработку производят на горизонтально-
расточном станке.
При установке станины в приспособле-
нии, принимая за базу плоскость лап и отвер-
стие под обойму подпятника, выверяют поло-
жение детали по наружному контуру литья во
избежание смещения отверстий относительно
бобышек. Межосевое расстояние устанавлива-
ют при помощи индикаторного устройства.
Растачивают отверстия диаметром 80Н7;
195Н8 и 2I5H8 и подрезают торцы, выдержи-
вая размеры 215, 140 и 400 мм. Окончательную
обработку отверстия под подшипник горизон-
тального вала диаметром 80к7 производят раз-
вертыванием или калиброванием на проши-
вочном станке.
Вторая и третья операции могут быть
разделены на черновую и чистовую. После
черновых операций предусматривают искусст-
венное старение для снятия внутренних на-
пряжений после литья и предварительной ме-
ханической обработки. Затем производят очи-
стку наружных и внутренних поверхностей
станины до появления металлического блеска и
грунтуют поверхности, подлежащие окраске.
После этого выполняют чистовое подрезание
нижней плоскости лап и чистовые операции по
расточке и калиброванию основных отверстий
и подрезке торцов чаши, горловой опоры, под
фланец электродвигателя и подшипников. От-
клонение от плоскостности лап не должно пре-
вышать 0,05 мм. При расточке отверстий гор-
ловой опоры и обоймы подпятника должен
быть обеспечен допуск соосности 0,02 мм, а
ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РАБОЧИХ ОРГАНОВ
143
Рис. 4.6. Схема технологического процесса обработки станины жидкостного сепаратора
при подрезке торца горловой опоры - перпен-
дикулярность 0,05 мм.
4. Расточная (рис. 4.6, г) - станину уста-
навливают на поворотном столе расточного
станка в приспособлении с базированием по
плоскости лап и отверстию под обойму под-
пятника. Сверлят, зенкеруют и развертывают
отверстие диаметром 25Н8, цекуют бобышку
до размера 29 мм и обтачивают бобышку диа-
метром 36 мм, после проведенной обработки
стол с деталью поворачивают на 180° и обра-
батывают те же поверхности в других бобыш-
ках.
Затем обрабатывают две бобышки под
втулки стопора (рис. 4.6, д): сверлят, зенкеру-
ют и нарезают резьбу М30х1,5 мм - 7Н в от-
верстии, цекуют бобышку до размера 20 мм.
Вторую бобышку обрабатывают после поворо-
та стола на 180°.
144
Глава 4. ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
Фрезеруют плоскость под стяжку в раз-
мер 30 мм (рис. 4.6, е). Затем устанавливают
шпиндель станка на размер 130 мм от горизон-
тальной оси. Сверлят отверстия диаметром 8 и
18,3 мм; цекуют бобышку до размера 20 мм;
сверлят и зенкеруют при помощи комбиниро-
ванного зенкера ступенчатое отверстие диа-
метром 40 мм с углублением диаметром 50 и
глубиной 7 мм; торцуют бобышку до размера
8 мм (рис. 4.6, ж).
5. Расточная (рис. 4.6, з) - выполняется на
расточном станке. Устанавливают деталь на
поворотном столе в призме с базированием по
торцу чаши. Фрезеруют площадку 205x200 мм,
выдерживая размер 155 ± 0,5 мм. Затем стол
поворачивают на 130° и сверлят сквозное от-
верстие диаметром 32 мм.
6. Сверлильная. Станину устанавливают
на кантователь чашей вниз. Сверлят четыре
отверстия диаметром 20 мм в лапах по размет-
ке, а также четыре отверстия диаметром 6,7 мм
под нижнюю крышку по кондуктору. Переус-
танавливают деталь с базированием на лапы.
Сверлят два сквозных отверстия диаметром
13 мм в проушинах по разметке и крепежные
отверстия под корпус горловой опоры и тахо-
метра, смотровое стекло, фланец и другие эле-
менты по кондуктору.
7. Резьбонарезная. Нарезают резьбу в
крепежных отверстиях метчиками.
Сверление и нарезание резьбы в крепеж-
ных отверстиях может производиться на агре-
гатно-сверлильном станке с многошпиндель-
ными силовыми головками. Это позволяет
вести одновременно обработку нескольких
поверхностей, применять комбинированные
инструменты, что значительно сокращает вре-
мя на операцию, повышает производитель-
ность обработки и уменьшает долю ручного
труда.
Заключительными операциями являются
слесарная (зачистка острых кромок и линий
разъема), промывка, контроль размеров и окра-
ска станины.
Сборка машин и оборудования. Завер-
шающий этан изготовления машин и аппаратов
пищевых производств - сборочные работы,
определяющие в значительной степени качест-
во (заданные выходные параметры) и эксплуа-
тационные характеристики готового изделия.
Трудоемкость сборочных работ в пищевом
машиностроении с преимущественно мелкосе-
рийным типом производства составляет 30...
35 % общей трудоемкости производства машин
и в основном обусловлена большим объемом
ручных пригоночных операций.
Технологический процесс сборки изделий
в пищевом машиностроении включает сле-
дующие основные этапы: подготовка деталей к
сборке; вспомогательные слесарные операции
(изготовление прокладок, шайб, пружин, скоб
и подобных деталей в процессе сборки); сборка
деталей в сборочные единицы, уравновешива-
ние деталей и узлов; общая сборка изделия;
обкатка и испытание машины (гидроиспыта-
ния, проверка плавности хода, пятен контакта
зубьев, контроль выходных параметров и др.).
Подготовка деталей для сборки состоит
из слесарно-доделочных операций (зачистка
заусенцев и забоин, опиливание, очистка от
сварочных брызг, сверление отверстий, наре-
зание резьб, промывка и т.п.) и пригоночных
операций (шабрение и притирка сопрягаемых
поверхностей и др.).
В собственно сборочные операции вхо-
дят:
ко ординирование и сопряжение деталей;
рег улирование механизмов и сборочных
единиц в процессе сборки;
контроль точности сборки;
операции по промежуточной сборке де-
талей для их совместной обработки и опреде-
ления размера компенсатора.
Рассмотрим типовые технологические
процессы сборки типового сепаратора, как
наиболее сложного оборудования пищевой
промышленности, и трубчатых теплообменни-
ков (пастеризаторов), широко используемых в
различных отраслях пищевой промышленности
для охлаждения, нагрева и пастеризации молока
и других пищевых продуктов.
Конструктивные и технологические
особенности сепараторов и центрифуг. Се-
параторы предназначены для разделения про-
дуктов на фракции (например, молока на слив-
ки и пахту), для очистки молока, вина и других
продуктов от механических примесей, освет-
ления фруктовых соков, вина и т. п.
Сепараторы относят к классу роторных
машин: частота вращения до 10 000 мин"1 и
более; значительные изменения действующей
нагрузки в процессе работы; масса ротора (ба-
рабана) сепаратора 800 кг; давление жидкости
во время работы более 10 МПа, окружная ско-
рость 170... 180 м/с. При таких скоростях на-
пряжения в барабане сепаратора имеют тот же
уровень, что и в наиболее нагруженных рото-
рах авиационных двигателей.
ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РАБОЧИХ ОРГАНОВ
145
Барабаны центрифуг и сепараторов изго-
товляют из высокопрочных коррозионно-
стойких сталей. Изготовители машин из стран
СНГ делают барабаны либо сварными, либо из
поковок или штамповок. Барабаны шнековых
центрифуг зарубежных изготовителей выпол-
няют только методом центробежного литья, а
барабаны сепараторов - из штамповок и поко-
вок, фильтрующих центрифуг большого диа-
метра - сварными из листовой стали, что дает
значительную экономию металла.
В связи с довольно жесткими условиями
по прочности, ударной вязкости и коррозион-
ной стойкости для изготовления барабана и
других основных деталей центрифуг и сепара-
торов используют ограниченное число сталей.
Выбор материала определяется кроме
требований к прочности определенными свой-
ствами стойкости его к обрабатываемому про-
дукту. Углеродистые стали применяют для
изготовления барабанов центрифуг, соприка-
сающихся с нейтральными продуктами, бара-
банов сепараторов небольшого диаметра для
молочной промышленности, например, из ста-
ли 40Х с последующим горячим лужением
пищевым оловом. За рубежом используют
только коррозионно-стойкие стали.
Коррозионно-стойкие стали 12Х18Н10Т,
10Х17Н13М2Т (ЗТ), 08Х22Н6Т применяют для
изготовления барабанов центрифуг различного
типа. За рубежом используют стали марок
A1S1 316, 317 (D1N 1.4401 и 1.4449), 304, 316L
для изготовления барабанов центрифуг и сепа-
раторов.
Некоторые компании для шнековых го-
ризонтальных центрифуг применяют сталь
типа Duplex 317, которая при относительно
высокой стоимости выдерживает высокие цен-
тробежные нагрузки, что позволяет достигать
высоких результатов разделения.
Отечественные производители изготов-
ляют ответственные детали барабанов сепара-
торов из штамповок стали 07X16Н6, 14Х17Н2.
После закалки при 1 000 °C обработки холодом
при -70 °C и отпуска при 350 °C данные мате-
риалы приобретают прочностные свойства по
пределу текучести ~ 900 МПа, по пределу
прочности ~ 1100 МПа, по ударной вязкости
~ 50 Дж.
В дрожжевой промышленности барабаны
сепараторов, в которых разделяют продукты со
свободными ионами хлора, выполнены из ти-
танового сплава типа ВТ 1-0, АТ4, АТ6 или
Т6А14В. Вследствие высокой стоимости изго-
товления штамповок и малой ударной вязкости
титан заменяется коррозионно-стойкими ста-
лями. Некоторые центрифуги имеют гуммиро-
ванную облицовку внутренней поверхности
барабана. Для особо агрессивных продуктов
применяют сплавы с высоким содержанием
никеля, типа инконель, инколой и др.
Для изготовления кожухов сепараторов и
центрифуг используют коррозионно-стойкие
стали 08Х18Н10Г. 12Xi8HI01 или AISI 321
(DIN 1.4541). Валы сепараюров и центрифуг
получают из сталей типа 40Х, станины и осно-
вания - из чугуна. Различные уплотнения и
прокладки выполняют из резины, капролона Б,
а также из полимерных материалов типа viton,
nitril, EPDM и др.
Высокая динамическая напряженность^
опасность потери устойчивости особенно ро-
торного узла и возможные тяжелые последст-
вия выхода агрегата из строя требуют тща-
тельного изготовления деталей, контроля их
размера и качества. Особое значение приобре-
тает высокое качество сборочных работ, в том
числе точная балансировка барабана сепарато-
ра в сборе.
Сепараторы пищевого производства уни-
фицированы по типоразмерам, имеют взаимо-
заменяемые детали и сборочные единицы, что
позволяет организовать серийное производство
их на предметно-замкнутых и поточных лини-
ях. В зависимости от типа сепараторов произ-
водство их характеризуется от мелкосерийного
до крупносерийного масштаба.
Для серийного производства сепараторов
разрабатывают операционный технологиче-
ский процесс, в котором сборку каждой сбо-
рочной единицы расчленяют на операции и
переходы и составляют технологическую схе-
му сборки. Поточные линии создают отдельно
для крупных, средних и мелких сепараторов. В
технологию общей сборки включают также
обкатку и промывку. Узловую сборку ведут на
отдельных участках, снабжающих потоки об-
щей сборки.
Условия сборки сепараторов. Общую
сборку сепаратора и его сборочных единиц
должны вести согласно техническим условиям
на изготовление, чертежам и утвержденной
технологии в последовательности, указанной в
технологической схеме сборки. Исправление и
доводка при сборке каких-либо поверхностей
воспрещается. В отдельных случаях недопус-
тима пригонка шпонок и тонкая притирка де-
талей пастой ГОИ.
146
Глава 4. ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
Барабан сепаратора в сборе должен быть
подвергнут динамической балансировке с точ-
ностью, указанной в чертежах. В большинстве
случаев допускаемый дисбаланс составляет не
более 25 г/см. Подшипники качения следует
насаживать на валы подогретыми в масляной
ванне до температуры 60...90 °C, сила при на-
садке должно передаваться только через внут-
реннее кольцо подшипника. Все болты и гайки
должны быть затянуты равномерно и до отказа.
В собранном сепараторе при вращении
веретена в подшипниках радиальное биение
верхней корпусной части верхнего вала не
должно превышать 0,03 мм. Предельное от-
клонение угла наклона образующей конуса
тарелки к горизонтали должно быть 10°. От-
клонение от перпендикулярности образующей
поверхности тарельчатых вставок не должно
превышать 0,1 мм надлине 150 мм.
В сепараторах должны быть применены
специальные подшипники для сепараторо-
строения или шарикоподшипники не ниже 6-го
класса точности (ГОСТ 520-89).
Технологический процесс сборки сепа-
ратора. Сборка типового жидкостного сепара-
тора включает основные последовательно вы-
полняемые операции:
очистка и окраска внутренней поверхно-
сти станины;
сборка станины с приводом (электродви-
гателя с валом, тахометра, горизонтального и
вертикального валов в сборе, горловой опоры,
шпинделя тормоза в сборе);
сборка барабана (рис. 4.7);
сборка крышки;
сборка колпака;
сборка приемно-отводящих коммуника-
ций;
общая сборка сепаратора;
обкатка сепаратора с проверкой качества
сборки и регулировки, правильности и уравно-
вешенности барабана и привода, правильности
подключения и работы электрооборудования и
контрольно-измерительных приборов;
частичная разборка сепаратора, промывка
и просушка сжатым воздухом деталей бараба-
на;
смазывание техническим вазелином ос-
нования и крышки барабана;
окончательная сборка барабана;
окраска и сушка сепаратора.
Для динамической балансировки бара-
банов жидкостных сепараторов применяют
электронные балансировочные машины моде-
ли Zi5 и Zi30 фирмы Шенк (Германия). Бара-
бан в сборе устанавливают на оправку балан-
сировочного шпинделя машины, которая пред-
варительно настраивается по эталонному бара-
бану. Балансировку барабана производят при
частоте вращения, не превышающей 50 % ра-
бочей части вращения для испытуемого типа
сепаратора.
Дисбаланс измеряют по значению и угло-
вому положению неуравновешенной массы по
двум плоскостям направления. Достижимая
точность уравновешивания: условное смеще-
ние центра масс по отношению к оси вращения
Рис. 4.7. Барабан сепаратора (в сборе):
1 - основание; 2 - поршень; 3 - тарелкодержатель; 4 - кольцо; 5 - крышка; 6 - тарелка; 7 - конус
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ
147
балансировочной машины 3...5 мкм. Уравно-
вешивание барабана осуществляют снятием
металла (фрезерованием) с места, указанного
балансировочной машиной. Остаточный дис-
баланс после тщательной компенсации по от-
счетам первого пуска составляет 5 % начально-
го дисбаланса. Следовательно, один пуск дос-
таточен для уравновешивания барабана, под-
лежащего балансировке, при условии, что на-
чальный дисбаланс не будет превышать два-
дцатикратного значения допустимого остаточ-
ного дисбаланса.
Основная характерная особенность кожу-
хотрубных теплообменников - наличие труб-
ных решеток с завальцованными в них труба-
ми.
Трубчатый пастеризатор для молока со-
стоит из двух барабанов, изготовленных из
листовой стали, к концам которых приварены
фланцы. Трубные решетки с завальцованными
нагревательными трубками из коррозионно-
стойкой стали присоединены болтами к флан-
цам. С торцов барабаны закрыты откидными
крышками, на внутренней стороне которых
находятся перегородки, обеспечивающие по-
очередное прохождение по нагревательным
трубкам потока молока.
Диаметр барабанов и нагревательных
труб соответственно 350 и 25 мм. В каждом
барабане 45 трубок. Верхний барабан обогре-
вается паром, нижний - горячей водой. Молоко
подается насосом сначала в нижний барабан, в
котором оно последовательно проходит каж-
дый ярус трубок, а затем - в верхний.
Технологический процесс сборки трубча-
того теплообменника состоит из следующих
операций:
1) сборки обечайки с установкой и при-
варкой штуцеров и опорных лап;
2) сборки трубного пучка (сборка и свар-
ка обечайки с трубной решеткой, установка в
решетку труб, вальцовка труб с двух сторон,
торцование концов труб);
3) испытания (гидравлические на пробное
давление межтрубного пространства, а также
пневматические рабочим давлением с погру-
жением трубчатого пучка в ванну с водой);
4) сборки крышки;
5) сборки трубного пучка с крышками;
6) гидроиспытания трубного пространст-
ва на пробное и рабочее давление;
7) маркировки и окраски теплообменника
(в случае его изготовления из углеродистых
сталей).
Закрепление труб производят на разваль-
цовочном стенде, на котором концы труб, об-
ращенные к развальцовочному станку, вырав-
нивают так, чтобы их торцы были расположе-
ны в одной плоскости и на требуемом расстоя-
нии от трубной решетки. Концы труб с другой
стороны закрепляют от продольного смещения
специальными зажимами. Внутреннюю по-
верхность концов труб смазывают тавотом и
производят развальцовку.
В общую сборку теплообменного аппара-
та входит подсоединение арматуры и комму-
никаций, контрольно-измерительных прибо-
ров, насосов и т. д.
4.5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ
ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ
ПИЩЕВОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Пути увеличения долговечности и
свойств рабочих поверхностей. Анализ при-
чин отказов пищевого оборудования показыва-
ет, что большая часть их вызвана несоответст-
вием качества материалов, из которых оно
изготовлено, условиям эксплуатации, не обес-
печивается антикоррозионная защита деталей,
контактирующих с технологической средой.
Так, оборудование сахарного производства
имеет очень ограниченный срок службы вслед-
ствие интенсивного коррозионного воздейст-
вия среды на металл. Еще меньше срок службы
рабочих детаей центробежных насосов, под-
вергающихся дополнительно кавитационному
воздействию. Рабочие колеса, корпусы и
крышки центробежных насосов изготовляют из
серого чугуна СЧ15, СЧ18, СЧ21, который
обладает низкой гидроэрозионной стойкостью,
особенно в агрессивных кислых и щелочных
средах сахарного производства.
Повышение долговечности деталей, ра-
ботающих в технологических средах сахарно-
го, консервного, крахмально-паточного, дрож-
жевого производства может быть обеспечено
применением коррозионно-стойких сплавов или
защитных покрытий.
Поверхностное насыщение хромом рабо-
чих деталей из стали 45 и чугунного колеса
СЧ21 насоса СОТ-ЗОМ в 4-6 раз увеличивает
их стойкость в агрессивных средах сахарного
производства.
Интенсивность изнашивания деталей мя-
сорезательного оборудования особенно повы-
шается при переработке замороженного мяса и
148
Глава 4. ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
мясокостною сырья. Основные материалы,
применяемые для изготовления рабочих дета-
лей, - углеродистые и инструментальные ста-
ли. Недостаточная обоснованность выбора
материалов, отказ от упрочнения поверхностей
деталей для повышения износостойкости со-
кращают срок службы этих деталей. Стойкость
рабочих органов мясоперерабатывающего обо-
рудования можно повысить упрочнением ра-
бочих поверхностей термодиффузионным ме-
тодом. Хромирование и однофазное борирова-
ние повышают стойкость режущего инстру-
мента, например ножей волчков, в 4-5 раз, ре-
шеток - в 11-12 раз.
Промышленное применение находит уп-
рощающая технология изготовления режущего
инструмента измельчителей мяса с одновремен-
ным поверхностным легированием его бором в
процессе литья по выплавленным моделям.
Углеродистые стали после традиционно-
го процесса зермодиффузионного упрочнения
(цементации, нитроцементации, цианирования)
по износостойкости значительно уступают
борированным и хромированным сталям (соот-
ветственно в 4,5...6; 1,3... 1,7; 3,5...4 раза), а по
коррозионной стойкости - хромированным.
Большое содержание хлора в молоке - ос-
новная причина коррозии резервуаров из кор-
розионно-стойкой стали 12X181 ПО Г. Рекомен-
дуется улучшить отделку поверхности металла
полировкой и использовать сталь
10X17H13M3T.
При изготовлении оборудования для мяс-
ной и клеежелатиновой промышленности (ча-
нов для шпарки, варочных котлов, ванн для
пастеризации, автоклавов для стерилизации
мясных консервов, моечных барабанов для
субпродуктов и трубчатой кости и др.) целесо-
образно применение биметалла. Коррозионная
стойкость биметалла равна коррозионной
стойкости однородной коррозионно-стойкой
стали аналогичной марки. Применение биме-
талла позволяет в 2-5 раз увеличить срок служ-
бы оборудования, на 25% снизить его стои-
мость, на 75% уменьшить расход остродефи-
цитных никельсодержащих сталей.
К методам, повышающим надежность
технологического оборудования, относят уп-
рочняющую технологию, основанную на по-
верхностном пластическом деформировании
поверхностей (ППД}. Основными способами
упрочнения деталей пищевого машинострое-
ния являются:
пневматический или механический на-
клеп дробью (дробеструйная обработка, уп-
рочнение пружин);
накатывание роликом или шариком (по-
вышение долговечности шнека коленчатых
валов, поворотных цапф и цилиндрических
поверхностей разнообразных деталей):
наклеп механической чеканкой (упрочне-
ние галтелей указанных деталей);
раскатывание отверстий роликами (уп-
рочнение гидро- и нневмоцилиндров различ-
ных прессов тля сыров, но тьемников. расфасо-
вочных автоматов и др.)
При ППД интенсивность наклепа, твер-
дость и шероховатость упрочненного поверх-
ностною слоя зависит от режимов обработки,
материала упрочняемой детали, исходных по-
верхностных твердости и шероховатости. Ис-
пользование ППД для упрочнения режущих
инструментов повышает сопротивление их
усталости и особенно эффективно при дейст-
вии переменных нагрузок. Так. наклетт приме-
няют для упрочнения ленточных и дисковых
пил в мясной промышленности. Вначале пилы
подвергают ступенчатой или изотермической
обработке, после чего осуществляют отпуск на
твердость 45...50 HRC, затем накатывают ро-
ликами. Для дополнительного упрочнения ис-
пользуют также чеканку зубьев.
При алмазном выглаживании обработку
поверхности выполняют специальными инст-
рументами - выт лаживателями, оснащенными
элементами из синтетических сверхтвердых
материалов: эльбора-Р, тексанита-Р, из при-
родных алмазов и твердых сплавов. После вы-
глаживания поверхностного слоя улучшаются
эксплуатационные характеристики деталей
машин.
Лазерная закалка особенно перспективна
для упрочнения деталей сложной конфигура-
ции. Она основана на использовании явления
высокоскоростного разогрева металла под дей-
ствием лазерною луча. Глубина упрочненной
зоны достигает 0.2 мм, стойкость изделия по-
вышается в 2 раза и более.
Криогенные процессы для обработки ре-
жущего инструмента входят в практику пище-
вого машинотроения.
У решеток волчков, подвергнутых крио-
генной обработке в течение 15...20 мин в изоли-
рованной емкости, заполненной жидким азо-
том, отмечено снижение износа на 25 % и уве-
личение периода работы инструмента до пере-
точки в 2 раза.
Проводится искровая упрочняющая об-
работка рабочих поверхностей куттерных
ножей, пластических ножей шпигорезок, дис-
ковых ножей, инструментов для обработки
птицы и др. Рабочие детали и инструменты
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОС ГИ
149
упрочняются после термической обработки и
заточки. Исходная шероховатость упрочняемой
поверхности должна быть не выше Rz = 80 мкм.
Рабочие поверхности инструментов упрочня-
ются на ширине 3...5 мм от режущей кромки.
После упрочнения рекомендуется доводка.
Для упрочнения рабочих поверхностей
различных деталей пищевого оборудования
используют метод металлизационного напы-
ления. Покрытие быстроизнашивающихся де-
талей машин и оборудования порошкообраз-
ными твердыми сплавами, оксидами, карбида-
ми и боридами металлов, оксидной керамикой
является весьма перспективным направлением
повышения их долговечности.
В пищевых и перерабатывающих отрас-
лях АПК широко внедряются защитные поли-
мерные покрытия различного назначения'.
противокоррозионные для защиты обору-
дования и металлической тары;
антиадгезионные, предотвращающие по-
тери пищевого сырья и продуктов в результате
пригорания и прилипания на различных стади-
ях технологического процесса их производства
и позволяющие экономить пищевые продукты,
используемые для предотвращения прилипа-
ния (растительных и животных жиров, муки и
др);
покрытия с селективными свойствами для
мембранной технологии и хранения плодов и
овощей;
токопроводящие покрытия, позволяющие
осуществлять защиту пищевых продуктов при
хранении и транспортировке от электромаг-
нитного излучения.
Химически стойкие покрытия на основе
эпоксидных и перхлорвиниловых лакокрасочных
материалов обеспечивают деталям повышен-
ные защитные свойства и долговечность. Мо-
дификации эпоксидных композиций позволяют
многократно увеличить срок службы покрытий
в биологически активных средах. Введение
модификаторов повышает физико-механи-
ческие свойства и адгезионную прочность по-
крытия.
Применение в различных областях пище-
вой промышленности разнообразных полимер-
ных материалов и термостабилизаторов позво-
ляет варьировать свойства покрытий примени-
тельно к конкретным условиям и, в первую
очередь, к различным температурным режи-
мам.
Так, на ряде хлебопекарных предприятий
используют полимерные композиции на основе
линейных олигодиорганосилоксанов, которые
обладают антиадгезионными свойствами и вы-
сокой технологичностью. В условиях интенсив-
ной тепловой обработки на агрегатах повышен-
ной мощности рекомендованы высокотемпера-
турные антиадгезионные покрытия на основе
модификационных силоксановых биоксополи-
меров типа «Блоксил». Они обладают стойким
антипригарным эффектом в условиях длитель-
ного воздействия рабочих температур до
280...320 °C и хсюйчивосIью к «температур-
ным ударам» (горячим прослоям). Покрытия
гарантируют надежную эксплуатацию оборудо-
вания в устойчивом режиме; нашли широкое
применение в хлебопекарной промышленности.
Требования, предъявляемые к покры-
тиям. К покрытиям деталей машин и аппара-
тов пищевых производств предъявляются сле-
дующие требования:
1) материал покрытий не должен быть
токсичен, сообщать продуктам питания посто-
ронних запахов, влиять на их вкусовые качества;
2) покрытия не должны обладать порис-
тостью во избежание подпленочной коррозии и
последующего отслаивания нанесенного слоя;
3) покрытия должны иметь высокие ме-
ханические свойства и прочное сцепление с
основным металлом.
4) необходимо обеспечить получение рав-
номерного мелкокристаллического осадка (при
гальваническом и химическом способах нане-
сения покрытия) или полимерной пленки тре-
буемой толщины в зависимости от назначения
покрытия и условий работы изделия;
5) покрытия должны обладать высокой
химической стойкостью к пищевым средам и
моющим составам, атмосферным воздействиям
и иметь хорошие защитно-декоративные свой-
ства.
Основные способы нанесения покры-
тий. К основным способам нанесения метал-
лических покрытий (хрома, никеля, олова,
цинка и др.) относят гальванические и химиче-
ские процессы, ванный способ (окунание в
расплавленный металл), металлизацию распы-
лением. Полимерные материалы наносят на
поверхность изделий напылением (из порош-
ков), погружением в ванну, обливом, кистью, а
также плакированием.
Галъванические покрытия наносят на по-
верхность деталей путем осаждения металлов из
водных растворов их солей под действием по-
стоянного электрического тока. Качество по-
крытий зависит от тщательности предваритель-
ной обработки поверхности, постоянства соста-
ва электролита, его температуры и кислотности,
плотности тока, а также от расположения деза-
лей и анодов в гальванической ванне.
150
Глава 4, ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
Химические покрытия получают в ре-
зультате взаимодействия поверхностных слоев
металла с химическими реагентами. Такиие
покрытия широко применяют при обработке
черных металлов (оксидирование, фосфатиро-
вание, никелирование), алюминиевых и маг-
ниевых сплавов (оксидирование). Виды галь-
ванических и химических методов защиты с
указанием необходимой толщины покрытий
приведены в табл. 4.5.
4.5. Гальванические и химические методы нанесения защитных покрытий
Процесс Метод нанесения, внешний вид покрытия Назначение Толщина основного покрытия, мкм Твердость HV
Хромирование защитное и защитно- декоративное Электролитическое, блестящее Повышение коррозион- ной стойкости, улучшение внешнего вида 0,3...1,2 800... 1100
Хромирование износостойкое Электролитическое, блестящее Повышение износо- стойкости рабочих поверх- ностей в условиях трения при небольших удельных нагрузках < 1000 800... 1100
Электролитическое, молочное Защита от износа и коррозии <50 750...800
Электролитическое, пористое Защита от износа в ус- ловиях трения при высоком давлении и несовершенной смазке 100...500 800... 1100
Никелирование защитно- декоративное Электролитическое, матовое Повышение коррозион- ной стойкости, улучшение внешнего вида 5...15 300
Никелирование износостойкое Химическое никель- фосфорное Повышение износо- стойкости прецизионных и других ответственных де- талей машин <50 450...480
Борирование Электролитическое Повышение износо- стойкости, поверхностной твердости, теплостойкости <400 2000...2500
Цинкование Электродити ческое с последующей пасси- вацией Защита от атмосферной коррозии, пресной воды с температурой до 70 °C 7...10; 15...35 -
Лужение Электролитическое и горячее Защита от коррозии в пищевых средах 5...200 -
Оксидирование Химическое, терми- ческое, электрохимиче- ское с последующим промасливанием Защита от атмосферной коррозии 0,8...1,5 -
Фосфатирование Химическое с по- следующей пассиваци- ей и промасливанием Защита от атмосферной коррозии 5...8 -
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ
151
Вид покрытия и его толщина зависят от
условий эксплуатации. Для эксплуатации в
сухой атмосфере н при небольших колебаниях
температуры применяют оксидирование с тол-
щиной слоя 0,8. ..1,5 мкм, цинкование с толщи-
ной слоя 7... 10 мкм или защитно-декоративное
хромирование с толщиной слоя 13... 17 мкм.
Для защиты от атмосферной коррозии
при повышенной влажности н значительных
колебаниях температуры толщину хромиро-
ванного слоя увеличивают до 25...30 мкм, ни-
келевого или цинкового - до 20 мкм. Для экс-
плуатации в особо жестких условиях толщину
покрытия назначают по верхним пределам,
указанным в табл. 4.5.
Горячее и гальваническое лужение - по-
крытие пищевым оловом марки 01, 02
(ГОСТ 860-75) применяют для защиты от кор-
розии деталей машин н аппаратов, работающих
в непосредственном контакте с пищевыми сре-
дами. Олово обладает высокой коррозионной
стойкостью и пластичностью и имеет темпера-
туру плавления 231,9 °C. Его используют в
качестве защитного покрытия пищеварочных
котлов, консервной жести, арматуры молоко-
проводов, литых чугунных шнеков для волчков
и измельчителей других типов н др. Для луже-
ния могут быть использованы бессурьмяни-
стые припои марок ПОС. 40 и ПОС. 90
(ГОСТ 21930-76).
Гальванические покрытия цинком приме-
няют для защиты деталей из стали и чугуна от
атмосферной коррозии. Слой цинка в паре же-
лезо - цинк является анодным покрытием и
предохраняет железо от электролитического
растворения. Срок службы цинковых покрытий
определяется их толщиной и условиями экс-
плуатации. Скорость разрушения цинкового
покрытия 1,5...8 мкм/год. В сухой атмосфере
цинковые покрытие обладают высокой корро-
зионной стойкостью. В воде при температуре
выше 65...70 °C их защитные свойства резко
снижаются, а на холоде цинковые покрытия
становятся хрупкими. Для деталей, работаю-
щих в условиях трения, цинковое покрытие
непригодно.
Электролитические хромовые покрытия
обладают высокой коррозионной стойкостью,
низким коэффициентом трения, высокой твер-
достью и износостойкостью.
Различают твердое (гладкое) и пористое
хромирование. Твердое хромирование приме-
няют в качестве защитно-декоративного и из-
носостойкого покрытия деталей машин, а по-
ристое хромирование - в качестве защитного в
условиях работы при граничном трении, на-
пример, поршневых колец и гильз цилиндров
компрессоров. Пористый хром хорошо удержи-
вает масляную пленку, благодаря чему детали
защищены от сухого и граничного трения. При
этом их износостойкость повышается в 3-5 раз.
Тщательная подготовка поверхности под
покрытие и соблюдение всех условий электро-
лиза обеспечивают высокую прочность сцеп-
ления хрома со сталью, чугуном, никелем, ме-
дью и латунью. Прочность сцепления хрома со
сталью при испытании на сдвиг достигает
300 МПа. Стали с высоким содержанием угле-
рода, вольфрама, кобальта, а также высокомар-
ганцовистые чугуны имеют низкую прочность
сцепления и хромированию не подвергаются.
Гальванические хромовые покрытия ис-
пользуют для защиты от коррозии чугунных и
стальных шнеков (волчков, прессов для мака-
рон), дозаторов, клапанов разливочного обору-
дования для молока и др. Хромированные тру-
бы используют в выпарных аппаратах сахарной
промышленности, теплообменниках различно-
го назначения, котельных установках.
Защитно-декоративное никелирование
деталей машин и аппаратов применяют обыч-
но с подслоем меди. Никелевые покрытия хо-
рошо полируются и сохраняют свой блеск бла-
годаря образованию тончайшей пассивной
пленки. Наряду с гальваническим никелирова-
нием для защиты деталей от коррозии и повы-
шения износостойкости широко применяют
химическое никелирование (т.е. без примене-
ния электрического тока). Таким образом по-
лучают никельфосфорные покрытия (содержа-
ние фосфора 3...10 %), обладающие более вы-
сокими антикоррозионными свойствами, чем
гальванические никелевые покрытия.
Недостаток никельфосфорных покрытий -
малая прочность сцепления с основным метал-
лом и хрупкость. Для улучшения этих свойств
производят термическую обработку. Никели-
рованию подвергают детали различных пнев-
матических и гидравлических устройств, зо-
лотники, поршни, плунжеры, корпусы шесте-
ренных насосов и др.
Эмалирование широко применяют для
защиты стальных и чугунных деталей аппара-
тов пищевых производств.
Детали, подвергнутые эмалированию,
имеют высокую коррозионную стойкость в
кислотных и щелочных растворах, повышенное
152
Глава 4, ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
сопротивление колебаниям температуры и
действию высоких температур. Обычные быто-
вые эмали устойчиво предохраняют металл от
коррозии при температуре до 500 °C. Жаростой-
кие эмалевые покрытия длительно (несколько
тысяч часов) предохраняют металл от газовой
коррозии при температуре 900... 1000 °C, при-
чем они кратковременно способны выдержи-
вать температуру 2000.. .3000 °C.
Детали с тонким эмалевым покрытием
(толщиной 0,05...0,08 мм) можно подвергать
гибке, сверлению и резке без разрушения по-
крытия. Недостаток эмалевых покрытий - низ-
кое сопротивление ударным воздействиям.
В пищевом машиностроении эмалирова-
ние применяют для защиты труб и различной
аппаратуры от действия кислотных и щелоч-
ных растворов. В отечественном машино-
строении производят трубы, покрытые изнутри
кислотостойкими эмалями.
Тонкослойные полимерные покрытия на-
носят на детали для зашиты их от коррозии,
повышения антиадгезионных, антифрикцион-
ных, электроизоляционных и других свойств,
для улучшения внешнего вида поверхностей.
Защищать полимерами можно черные и
цветные металлы. Полимерные материалы
наносят в виде порошков, паст, растворов, сус-
пензий, пленок, листовых материалов. Поли-
мерами можно покрывать как детали оборудо-
вания и аппаратов, так и полуфабрикаты - ме-
таллические листы, трубы, ленты и др.
Для получения защитных покрытий в
мясной и молочной промышленности и других
отраслях пищевой промышленности рекомен-
дованы термопласты широкого ассортимента:
полиэтилен, полипропилен, полиамиды, поли-
винилбутираль, поливинилхлорид пентапласт,
фторорганические полимеры и реактопласты -
эпоксидные, акриловые н полиэфирные соеди-
нения.
Для антикоррозионной защиты оборудо-
вания в большом объеме используют порошко-
вые краски из реактопластов главным образом
на основе эпоксидных соединений. Эти краски
обладают высокой химичской стойкостью,
твердостью, прочностью и эластичностью, а
также возможностью получения при нанесении
более тонких и экономичных покрытий, чем
при применении покрытий из термопластов,
более высокой адгезией к защищаемым по-
верхностям без использования грунтовок и
промежуточных слоев.
При нанесении на изделия покрытий из
порошкообразных полимеров и композиций на
их основе применяют различные способы на-
пыления (газопламенное, вихревое н вибро-
вихревое, струйное, в электростатическом по-
ле). Более перспективным признан метод на-
пыления в электростатическом поле. Преиму-
щество этого метода состоит в том, что при его
использовании отпадает необходимость в
предварительном нагреве изделий и уменьша-
ется запыленность атмосферы. Для напыления
порошковых полимеров в электростатическом
поле применяют установки с распылителями
разнообразной конструкции, которые при зна-
чительном объеме производства изделий могут
комплектоваться в поточно-механизированную
линию.
Антикоррозионные покрытия успешно
применяют на хлебопекарных предприятиях
при изготовлении бачков для дозирования
дрожжей и растворов хлористого натрия, на
винодельческих заводах для нанесения на
внутреннюю поверхность аппаратов, испыты-
вающих действие виноградного вина, а также
для защиты от коррозии труб и фитингов, ме-
таллических ящиков для хранения мясных
продуктов, корпусов насосов, фильтров и пр.
Наибольший эффект антиадгезионной
защиты имеют фторорганические полимеры
(фторопласт-4Д, фторопласт-ЗМ) в виде пла-
стин, пленок, тканей с пропиткой фторопла-
стом, покрытий из суспензий и кремнийорга-
нические соединения (ГКЖ-94 и др.) в виде
растворов, эмульсий, лаков. Для снижения
прилипания продуктов валы для раскатки теста
покрывают суспензией фторопласта-4Д. Стек-
лоткани, обработанные суспензией фторопла-
ста-3, используются в качестве конвейерных
лент для перемещения продуктов при высокой
температуре. Кремнийорганическими жидко-
стями обрабатывают металлические формы для
выпечки хлеба, детали сушилок макаронных
изделий, поверхности отстойников, сборников,
котлов н других аппаратов.
Процесс металлизации состоит в распы-
лении наплавляемого металла струей сжатого
воздуха или газа и осаждении на поверхности
изделия путем удара и деформации частиц. В
зависимости от применяемого теплового ис-
точника различают газовую, электродуговую,
высокочастотную тигельную и плазменную
металлизацию. Напыляемый материал может
применяться в виде проволоки, ленты или по-
рошка.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ
153
Наиболее распространены электродуго-
вые металлизаторы проволочного типа. Они
могут быть использованы для напыления мате-
риалов, температура плавления которых не
превышают 2800 °C (в основном для напыле-
ния сталей и цветных металлов).
Газопламенную металлизацию применя-
ют для нанесения покрытий из керамики, туго-
плавких соединений и металлов с особо высо-
кой температурой плавления (например, тига-
на).
При высокочастотной металлизации рас-
плавление напыляемого материала производят
в индукторе токами высокой частоты. Распы-
ление металла осуществляют сжатым возду-
хом. Этот вид металлизации применяют в ос-
новном для напыления стали.
Плазменное напыление - один из новых
прогрессивных способов металлизации. Высо-
кая температура плазменной струи позволяет
производить распыление самых тугоплавких
материалов.
Покрытие быстроизнашивающихся дета-
лей машин и оборудования пищевой промыш-
ленное! и порошкообразными твердыми спла-
вами, оксидами, карбидами и боридами метал-
лов, а также оксидной керамикой (А12О3, Сг2О3
др.) - перспективное направление повышения
их долговечности.
Металлизацию распылением успешно
применяют для зашигы оборудования пред-
приятий нишевых приижшик и металлокон-
струкций оI коррозии Нинповыс мобилизаци-
онные покрьиия толщиной в-0J мм в услови-
ях незагрязненной окружающей среды обеспе-
чиваю! защиту стальных конструкций в течение
30...40 лет. Алюминиевые покрытия применя-
ют для защиты металлов в обычных атмосфер-
ных условиях, а также в атмосферных услови-
ях, содержащих сернистые тазы, в аммиачных
растворах и кислотах. Повышение коррозион-
ной стойкое нт покрытий досчитаю г унлотне-
нием напыленною слоя механическими и хи-
мическими способами, а также пропиткой ла-
ками, красками, различными полимерными
составами.
Рекомендуемые материшты для защитно-
го напыления приведены в габл. 4.6.
4.6. Рекомендуемые материалы для защитного покрытия
Коррозионная среда Материал покрытия Болтина покрытия, мм
Атмосферные условия:
не содержащие сернистых газов Цинк 0,08... 0,01
загрязненные дымовыми газами » 0,2
со следами сернистого газа Цинк с окраской 0,1
содержащие сернистые газы Алюминий: алюминий с окраской 0,2:0.12
с повышенной влажностью и Цинк и алюминий 0,1...0,2
температурой Цинк 0,2
Вода:
пресная Цинк 0,1...0,2
Цинк с окраской 0,1
пресная (50 °C) Алюминий 0,15...0,25
Сталь 12Х18Н9 1,5...2
Рассол (5...10% NaCl) Цинк 0.2...0,25
Цинк с окраской 0,15...0,2
Сталь 12Х18Н9 с пропиткой 1,5...2
Водяной пар Алюминий 0,2...0,30
154
Глава 4. ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Батищев А.Н. и др. Монтаж, экс-
плуатация и ремонт технологического обору-
дования перерабатывающих отраслей АПК. М.:
Информагротех, 1997. 284 с.
2. Казаков Н.Ф., Мартынов Г.А. Тех-
нология пищевого машиностроения. М.: Ма-
шиностроение, 1982. 296 с.
3. Техника и технология в мясной про-
мышленности. Монтаж, наладка, эксплуатация
и ремонт оборудования: Справочник / Под ред.
В.М. Горбатова. М.: Пищевая промышлен-
ность, 1995. 575 с.
4. Надежность и техническая диагно-
стика оборудования перерабатывающих отрас-
лей АПК / Под ред. Т.В. Чижиковой. М.: Поли-
графсервис, 1995. 154 с.
5. Островский Э.В., Эйдельман Е.В.
Краткий справочник конструктора продоволь-
ственных машин. М.: Агропром изд ат, 1986.
618 с.
6. Справочник металлиста. Т. 4 / Под
ред. М.П. Новикова и П.Н. Орлова. М.: Маши-
ностроение, 1977. С. 570-576.
7. Чижикова Т.В. Машины для измель-
чения мяса и мясных продуктов. М.: Легкая и
пищевая промышленность, 1982. 302 с.
8. Чижикова Т.В. Стандартизация, сер-
тификация и метрология. Основы взаимозаме-
няемости. М.: Колосс, 2002. 238 с.
РАЗДЕЛ 2
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Глава 5
ПОДГОТОВКА,
ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
СЫРЬЯ И ПОЛУФАБРИКАТОВ
5.1. МАШИНЫ ДЛЯ МОЙКИ
РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ
5.1.1. ТИПЫ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ,
ПОДВЕРГАЮЩЕГОСЯ МОЙКЕ
Для переработки в плодоовощной про-
мышленности используют различные плоды и
овощи, которые классифицируют следующим
образом.
Овощи. Различают плодовую группу
овощей, у которых в пищу используют плоды
или семена, и вегетативную группу, съедобной
частью которых являются стебель, корень,
листья, клубни и т.д.
К плодовой группе относятся: томатные -
томаты, баклажаны, сладкий перец; бобовые -
горох, фасоль, бобы, соя и т.д.; тыквенные -
огурцы, кабачки, тыква, патиссоны, арбузы,
дыни; зерновые - кукуруза.
К вегетативной группе относятся: кор-
неплоды - морковь, свекла, петрушка (корень),
хрен, пастернак, сельдерей, цикорий, репа,
брюква; клубнеплоды - картофель, батат; ка-
пустные - капуста кочанная и цветная; шпи-
натные - шпинат, щавель, ревень; салатные -
всевозможные виды салатов, латук; лукович-
ные - лук, лук-порей, чеснок; пряные листовые
(зелень) - укроп, петрушка, майоран, базилик и
т.д.; десертные - спаржа и артишоки.
Плоды по строению делят на четыре
группы: семечковые, косточковые, ягоды и
орехи. Семечковые имеют кожицу, мясистую
мякоть и семенную камеру. Наиболее распро-
страненные семечковые плоды - яблоки, гру-
ши, айва, рябина и т.п.
Косточковые плоды состоят из кожицы,
плодовой мякоти и косточки с твердой скорлу-
пой. Типичными представителями являются
абрикосы, персики, вишня, черешня, слива,
кизил.
Ягоды имеют сочную мякоть. Различают
следующие подгруппы ягод:
настоящие ягоды - к ним относятся вино-
град, смородина, крыжовник, клюква, брусни-
ка, черника и т.д.;
ложные ягоды, имеющие разросшееся
цветоложе, на поверхности которого располо-
жены мелкие плодики, в каждом из которых
находится семя. К ложным ягодам относятся
малина, ежевика, инжир, шелковица;
субтропические и тропические плоды -
цитрусовые, ананасы, бананы, манго, папайя,
финики, хурма и т.д.
Различают физиологическую, потреби-
тельскую и техническую стадии зрелости пло-
дов. Физиологическая стадия характеризуется
наличием в плодах семян. В потребительской
стадии плоды пригодны для употребления в
свежем виде. Техническая стадия определяет
наилучшие качества плодов и овощей для при-
готовления консервов.
Некоторые плоды и овощи консервируют
недозрелыми (например, зеленый горошек,
сахарную кукурузу, грецкие орехи, огурцы,
156
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
Рис. 5.1. Лопастная моечная машина А9-КЛА/1
кабачки и т.д.), при полной зрелости подверга-
ются консервированные томаты, некоторые
виды косточковых и семечковых плодов.
Для подбора типа моечных машин плоды
и овощи делятся на сырье с мягкой и твердой
мякотью. Для ягод обычно применяется особый
тип машин. При расчете производительности
моечных машин необходимо знать насыпной
вес плодов и овощей, приведенный ниже, кг/м3.
Яблоки.................. 585...650
Айва....................625
Томаты.................. 585...780
Персики................. 520...650
Свекла.................. 650...780
Морковь.................650
Огурцы.................. 625...650
Лук..................... 650...740
Горошек зеленый......... 360.. .650
Картофель............... 650...780
5.1.2. ТИПЫ МОЕЧНЫХ МАШИН
Поступающее на переработку плоды и
овощи на консервных заводах в большинстве
случаев моют в два этапа. На первом этапе
сырье погружают в жидкость, что способствует
размягчению грязи и нарушению ее связи с
наружным слоем сырья. Продолжительность
этого этапа (отмачивание) зависит от химиче-
ских свойств загрязнений, их связи с сырьем и
интенсивности воздействия моющей среды.
При втором этапе удаляют отмокшие час-
тицы и продукт подвергают окончательной
интенсивной мойке струями воды (шприцева-
ние) при помощи струйного душевого устрой-
ства.
Для плодов и овощей с твердой структу-
рой (яблоки, груши, корнеплоды, клубни и т.п.)
применяются лопастные, барабанные и венти-
ляторные моечные машины.
Лопастные моечные машины приме-
няют в поючно-механизированных технологи-
ческих линиях по производству овощных заку-
сочных консервов для предварительной мойки
корнеплодов.
Лопастная моечная машина А9-КЛА/1
состоит из станины 7, лопастного вала 2, бара-
бана 3, привода 4, поддона 5 (рис. 5.1). В опоре
станины со стороны загрузки находится люк
для слива воды и 1рязи при мойке машины.
Продукт загружается в бункер 6 и из не-
го лопастью вала 2 перегружается в отсек 7
предварительной мойки, где он перемешивает-
ся лопастями и посредством взаимного трения
очищается от грязи. Частицы грязи оседают на
дно и периодически выводятся из машины
через сливной люк.
Лопастной вал проходит через все три от-
сека станины 7, осуществляет перемешивание
и перемещение продукта, а также выгрузку его
через разгрузочное окно.
Барабан 3. представляющий собой пер-
форированную в нижней части обечайку, рас-
положен в отсеке 8 основной мойки. Через
отверстия в нижней части барабана частицы
песка и грязи оседают на дно ванны. Барабан
закреплен двумя фиксаторами, которые необ-
ходимо отпускать при санитарной обработке
для возможности его поворота.
В отсеке ополаскивания 9 осуществляется
окончательная мойка продукта.
Вода в машину подается через коллектор
с запорным вентилем. Уровень воды в ванне
поддерживается переливным патрубком.
Производительность лопастных моечных
машин (кг/ч) рассчитывается по формуле, ко-
торая применима для шнековых конвейеров,
Q = 3600л/?25Лрфф ,
где R - радиус транспортирующих лопастей, м;
5- шаг винтовой линии лопастей, м; р - насып-
ная масса продукта, кг/м3; ф - коэффициент
заполнения проходного сечения барабана, ф =
- 0,15...0,3; ф - коэффициент, учитывающий
МАШИНЫ ДЛЯ МОЙКИ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ
157
снижение производительности в результате
некоторого обратного движения продукта под
действием встречного ему движения воды,
ф = 0,8...0,9. Техническая характеристика лопа-
стной моечной машины А9-КЛА/1 приведена
ниже.
Производительность, кг/ч, не менее . . 3000
Установленная мощность, кВт, не бо-
лее .............................. 3,0
Расход воды, м/ч................ 3,0
Частота вращения лопастного вала, с1 0,41
Габаритные размеры, мм 4635x1060x1915
Масса, кг, не более............ 1100
Основным расчетным узлом лопастной
моечной машины является двухопорный лопа-
стной вал. Исходя из значения крутящего
(вращающего) момента рассчитывается по-
требляемая энергия.
Диаметр вала под опорой, который испы-
тывает только кручение, рассчитывается из
уравнения прочности, имеющего следующий
вид:
"к=^[г]к,
где Мк - передаваемый валом вращающий
момент, Н м; №р = 0,2сР - полярный момент
сопротивления сечения вала, м3; [т]к - допус-
каемое напряжение при кручении, для конст-
рукционных сталей [т]к =(10...20) 108 Па:
М
0,2[т]
Поверочный расчет:
VK г 1
т=-—,
0.2т/3 к
где d - расчетный диаме!р вала; т - расчетное
напряжение на кручение в опасном сечении
вала.
Барабанные моечные машины приме-
няются для мойки iBcj'ibix pav тигельных про-
дуктов (корнеплодов. яблок, i р\ ш и т.п.).
Барабанная моечная машина А9-КМ-2 со-
стоит из станины 3 с ваннами, сетчатою бара-
бана 2. привода /, лотка 4. душевою устройст-
ва 5, электрооборудования, включающего Mai -
нитный пускатель, пулы управления, предо-
хранитель с плавкой вставкой, выключатель и
трансформатор (рис. 5.2).
Овощи непрерывно затружаются в маши-
ну через загрузочный лоток, из которого они
попадают в ванну предварительной мойки,
затем перебрасываю!ся во вторую ванну, где
подвергаются вторичной мойке, затем ковшом
перемещаются в третью ванну, в которой опо-
ласкиваются под душем. Промытые овощи
выгружаются в лоток и подаются на следую-
щую технологическую операцию. Техническая
характеристика барабанной моечной машины
А9-КМ-2 приведена ниже.
11роизводительность техническая,
кг, не менее:
по яблокам............... 4000
но моркови .............. 3000
Установленная мощность. кВт .... 1,1
Частота вращения барабана, с*1,
не более
при мойке яблок........... 1,9
при мойке моркови......... 1,2
Рис. 5.2.Барабанная моечная машина А9-КМ-2
158
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
Расход воды, м3/ч............... 2 ± 0,1
Давление воды
в магистрали, МПа............... 0,2...0,3
Снижение бактериальной обсеме-
ненности продукта после мойкг
(при исходной 3-106), число раз, нс
менее...........................102
Габаритные размеры, мм ... . 3390x1270x1600
Масса, кг, не более............. 810
Расчет основного конструкционного эле-
мента (вала) и потребляемой мощности прово-
дится по аналогичным формулам для лопаст-
ной моечной машины.
Вентиляторные моечные машины
предназначены для мойки овощей и фруктов,
кроме корнеплодов, листовых и бахчевых
культур. Продукт загружается в моечное про-
странство ванны, заполненной водой, где ин-
тенсивно моется в результате барботажа по-
средством сжатого воздуха (рис. 5.3).
Из моечного пространства ванны I вы-
мытый продукт выносится наклонным конвей-
ером 2, на верхней части которого (перед вы-
грузкой) ополаскивается водой из душевого
устройства 4. Выгружается продукт через ло-
ток 3. Первоначально ванна заполняется через
душевое устройство и патрубок, установлен-
ный на боковой ее стенке. Пополнение водой в
процессе работы осуществляется через душе-
вое устройство. Грязная вода сливается через
боковые прорези в стенке ванны.
Однако при этом требуется интенсивное
ополаскивание вымытого в ванне сырья вслед-
ствие того, что из-за пузырьков воздуха на
поверхности воды образуется слой грязной
пены и при выходе из воды чистые плоды
загрязняются. Имеются конструкции мо-
ечных машин подобного типа, но турбулизация
потока осуществляется оборотной водой, пода-
ваемой насосом через форсунки, находящиеся
ниже зеркала воды в ванне.
Давление чистой воды в душевом устрой-
стве должно быть не ниже 0,3...0,4 МПа.
Производительность вентиляторной мо-
ечной машины (Ki/ч) можно определить по
общей формуле для производительности лен-
точных конвейеров:
Q = ЗбООВ/крцэ,
где В - ширина ленты, м; h ~ высота слоя сы-
рья, м; ф - коэффициент заполнения ленты;
ф = 0,6...0,7; v - скорость движения ленты;
V = 0,12...0,16, м/с; р - насыпная масса сырья;
кг/м3.
Техническая характеристика вентилятор-
ной моечной машины Т1-КУМ-5 приведена
ниже.
Производительность техническая (по
томатам), т/ч......................... 5,0
Потребляемая электроэнергия, кВт ч .... 4,1
Расход воды, м3/ч..................... 5,0
Снижение бактериальной загрязненности
после мойки (при исходной 3-106), число
раз, не менее....................... 102
Габаритные размеры, мм.... 3805x1285x1790
Масса, кг............................910
Основным расчетным узлом являются тя-
говые пластинчатые цепи, которые рассчиты-
ваются контурным методом.
Рис. 5.3. Вентиляторная моечная машина Т1-КУМ-5
МАШИНЫ ДЛЯ МОЙКИ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ
159
Мощность привода роликового конвейера
(в кВт) определяется по формуле
1000т] ’
где Р - сила тяги на приводных звездочках;
Р = 800... 1200 Н; V - скорость движения кон-
вейерного полотна, м/с; К - коэффициент
запаса мощности; К = 1,3... 1,5; г| - КПД при-
вода.
Производительность компрессора и необ-
ходимый напор, под которым воздух должен
поступать в систему, можно определить по
габаритным размерам «зеркала» воды и уров-
ню ее в ванне моечной машины. Компрессор
подает воздуха около 1,5 м3/мин на 1 м2 пло-
щади зеркала.
Давление, под которым воздух должен по-
ступать в воздухопровод, расположенный в воде
под конвейером, рассчитывается по формуле,
кг/м2,
2
Н=^(1 + ^) + р2Л,
2g
где р| и р2 - плотность соответственно воздуха
и жидкости, кг/м3; h - высота слоя жидкости,
м; - сумма местных сопротивлений; V -
скорость движения воздуха, м/с; g - ускорение
свободного падения, м/с2.
При эксплуатации машины необходимо
следить за равномерным натяжением ролико-
вого полотна конвейера. Натяжное устройство
находится снаружи ванны, а вал со звездочка-
ми - ниже уровня воды. Поэтому оба винта
натяжного устройства снабжены сальниковыми
уплотнениями.
Универсальная моечная машина не
имеет недостатка вентиляторных моечных
машин, заключающегося в том, что при выходе
из воды чистые плоды загрязняются поверхно-
стно грязной пеной. Интенсификация мойки
достигается путем создания вихревых потоков
воды в ванне специальными сопловыми уст-
ройствами. Техническая характеристика моеч-
ной универсальной машины РЗ-КМЩ (ММУ-1)
приведена ниже.
Производительность, кг/ч...... 1250
Установленная мощность, кВт .... 5,9
Расход воды, м3/ч.............. 1
Габаритные размеры, мм . . . 3440x1300x1560
Масса, кг..................... 700
Она предназначена для мойки кабачков,
зеленых и бурых томатов, яблок, груш, перца в
комплексах по переработке на предприятиях
консервной промышленности малой и средней
мощности.
Машина состоит из каркаса, решетчатого
барабана, ванны, крышек, сопел, электронасо-
сов механизма управления, конвейера, душево-
го устройства, привода конвейера, ограждения,
пульта.
Съемные крышки, установленные сверху
машины над барабаном и конвейером, исклю-
чают попадание водяных брызг в окружающую
среду.
В верхней части барабана вдоль боковых
стенок установлены пять сопел для формиро-
вания пристеночных струй, огибающих согну-
тую цилиндрическую поверхность и образую-,
щих спиральный водяной вихрь, обеспечи-
вающий промывку и перемешивание сырья.
Конструкция сопла допускает его разворот в
вертикальной плоскости с целью изменения
интенсивности и продолжительности мойки
сырья.
Пять электронасосов центробежного типа
служат для нагнетания воды из ванны в решет-
чатый барабан.
Механизм управления, обеспечивающий
раздельное регулирование интенсивности спи-
ральных вихревых потоков, состоит из двух
рычагов, каждый из которых управляет тремя
или двумя электронасосами.
Конвейер с ситчатым полотном служит
для приема вымытого сырья из решетчатого
барабана, транспортировки и выгрузки его из
моечной машины.
Душевое устройство для ополаскивания
сырья, перемещающегося по конвейеру, имеет
вентили, электромагнитные клапаны, сварной
коллектор с форсунками.
Привод конвейера - редуктор со звездоч-
кой на выходном валу приводится от электро-
двигателя через предохранительную муфту.
Ограждение, представляющее декоратив-
но оформленные панели, служит для защиты
машины от воздействия окружающей среды и
придает ей современный эстетический вид.
Пульт управления соединен с машиной
соединительной коробкой.
Машина работает следующим образом.
Сырье равномерно загружается через прием-
ный лоток в решетчатый барабан, где оно дви-
жется в помощью вихревого спирального по-
тока воды, постепенно промывается и переме-
щается в сторону конвейера. Из барабана про-
160
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
мытое сырье попадает на конвейер и ополаски-
вается струями воды. Окончательно вымытый
продукт с полотна конвейера выгружается в
тележку или приемное устройство. Тяжелые
примеси оседают в нижней части ванны и уда-
ляются через патрубок и шиберную заслонку в
канализацию.
Щеточные моечные машины исполь-
зуются для мойки огурцов, баклажанов, кабач-
ков и других овощей с твердой структурой.
Типовая щеточная машина (рис. 5.4) состоит из
ванны 7, щеточных барабанов 4, регулируемо-
го поддона 3, элеватора 6, конвейера 8 с роли-
ками 9, душевых коллекторов 5 и 10, привода 7
и электрооборудования.
Щеточные барабаны смонтированы в
верхней части ванны. Каждый барабан состоит
из двух блоков, которые соединены стяжками и
собраны из щеток с капроновым волокном и
щеток с резиновыми пальцами.
Регулируемый поддон расположен под
щеточными барабанами и представляет собой
раму 2 на эксцентриках. В передней части ван-
ны на поддоне имеется металлическая решет-
ка-камнеотборник.
Элеватор, установленный в конце ванны,
представляет собой вертикальный цепной кон-
вейер с закрепленными на цепях лотками. Ро-
ликовый конвейер, расположенный за элевато-
ром, состоит из двух параллельных ветвей с
пальцами, на которых вращаются ролики . Ду-
шевые коллекторы установлены под элевато-
ром и над роликовым конвейером.
Техническая характеристика щеточной
моечной машины Т1-КУМ-3 приведена ниже.
Проюводительность, кг/ч:
по огурцам............... 4000
по баклажанам............ 3000
по кабачкам.............. 3000
Расход воды, м3/ч........... 3
Скорость движения транспортно-
го полотна, м/с............. 0,19
Число щеток:
вращающихся............. 5
не вращающихся.......... 5
Габаритные размеры, мм . . 4850x1300x1950
Масса, кг.............. .... 1725
Загруженные в переднюю часть ванны
плоды попадают на наклонный камнеотборник,
откуда подаются под вращающиеся щеточные
барабаны. Зона загрузки служит также для
предварительного замачивания плодов и отде-
ления от них всплывших органических приме-
сей.
Поступающие под вращающиеся бараба-
ны плоды перемещаются вдоль поддона к эле-
ватору, одновременно очищаясь от грязи. В
зависимости от размеров плодов расстояние
между щеточными барабанами можно изме-
нять в пределах 50 мм. Попадая на элеватор,
плоды омываются струями воды из коллектора,
затем на роликовом конвейере они поворачи-
ваются и вторично омываются струями воды.
Вымытый продукт выгружается через разгру-
зочный лоток.
Производительность (кг/ч) щеточных мо-
ечных машин определяется по следующей
формуле
Q = ЗбООВб/^-срр,
где В - ширина ванны (длина щеток),м; d -
диаметр плодов, например кабачков, м; v - ок-
ружная скорость щеток на максимальном диа-
метре, м/с; (р - коэффициент заполнения щеток
плодами по ширине ванны; L - длина моечной
ванны, м; / - расстояние между соседними
щетками, м; р - насыпная масса плодов, кг/м3.
Рис. 5.4. Щеточная моечная машина Г1 -КУМ-3
МАШИНЫ ДЛЯ МОЙКИ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ
161
В вибрационных моечных машинах в
качестве основного рабочего органа использу-
ют вибрационную раму, которая может осуще-
ствлять возвратно-поступательное движение
(рис. 5.5). Вибрационная рама имеет решетча-
тое полотно, изготовленное из прутков, распо-
ложенных перпендикулярно направлению
движения продукта. Решетчатое полотно (сито)
состоит из участков, имеющих угол наклона 3°
в сторону движения и чередующихся с участ-
ками, имеющими подъем от 6 до 15° к горизон-
ту. Такое чередование участков на пути про-
хождения продукта способствует полному от-
делению отработавшей воды на каждом участ-
ке. Конструкция позволяет изменять углы на-
клона участков полотна и фиксировать их в
заданном положении.
Вибрационная рама закреплена на четырех
подвесках 2, которые прикреплены к станине 3,
и шарнирно соединена с двумя шатунами 4,
получающими движение от коленчатого вала 5.
Частота колебаний рамы 600 мин'1 при частоте
вращения 300 мин'1.
Плоды моются водой, поступающей из
душевых сопел 6. Через сито вода стекает в
поддон 7 и через отверстия S отводится в кана-
лизацию. Через разгрузочный лоток сырье пе-
редается на следующую технологическую опе-
рацию. Для удовлетворительной работы моеч-
ной машины плоды должны подбрасываться с
рабочей поверхности вверх, чтобы вода оказы-
вала воздействие на всю поверхность плодов.
Рассмотрим частицу весом G (круглый
плод), находящуюся на наклонном колеблю-
щемся сите ( рис. 5.5, а).
Разложим силу тяжести на две состав-
ляющие, из которььх Gsina действует парал-
лельно рабочей плоскости, a G cosot прижима-
ет частицы к рабочей плоскости. Примем, что
направление силы инерции Ри совпадает со
средним положением шатуна и разложим ее на
две составляющие, из которых Ри н = Ри since
перпендикулярна к рабочей поверхности и
Р» к = Ри cosa параллельна рабочей плоскости.
Необходимо, чтобы составляющая Рин
силы инерции, направленная вверх, была бы
больше составляющей (7 cosa силы тяжести,
Ри н > G cosa или Ри sina > G cosa.
Техническая характеристика моечной
вибрационной машины РЗ-КМШ (ММВ-1)
приведена ниже.
Производительность техническая, кг/ч . . 1000
Установленная мощность, кВт....... 0,51
Расход воды, м3/ч................... 0,8
Масса, кг............................. 280
Производительность вибрационных мо-
ечных машин рассчитывается по формулам,
применяемым для вибрационных конвейеров.
Из описания конструкции моечной машины
видно, что плоды во время мойки передвига-
ются по склону вниз (угол 3°) и по склону
вверх (угол 6... 15°), поэтому этот механизм
следует рассчитывать на условиях движения
плодов вверх под действием сил инерции.
Ориентировочная производительность
моечной машины (кг/ч)
Q = 3600/?/юпр\р£,р,
где В - ширина сита, м; h - толщина слоя пло-
дов, м; гп = г А----------- - средняя ско-
V 2г
рость продукта, м/с; г - радиус кривошипа, м;
ср - угол трения плодов о поверхность сита; a -
угол наклона сита; ц/ - коэффициент проскаль-
зывания плодов ц/ = 0,5...0,7; £, - коэффициент
заполнения полотна сита; р - насыпная масса
плодов, кг/м3.
Рис. 5.5. Вибрационная моечная машина
6 — 8434
162
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
5.2. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ
РАСТВОРОВ И СМЕСЕЙ
В пищевой промышленности использу-
ются различные растворы (сахара, соли, пище-
вые кислоты и др.) с различной концентрацией
основного вещества (3...70%). Содержание
вещества в растворе определяет его вязкость.
Обычно вязкость раствора находится в прямой
зависимости от массовой доли растворенного
вещества. Для получения растворов использу-
ют смесители различных типов, представляю-
щие собой резервуары со встроенной мешал-
кой.
При создании смесей из различных сыпу-
чих продуктов (муки, сахара, соли и т.п.) эф-
фективность работы смесителей определяется
влажностью сыпучих компонентов. При сме-
шивании компонентов в пластичном состоянии
(тесто, мясной фарш, шоколадная масса, овощ-
ная паста) с сыпучими или жидкими компо-
нентами для достижения однородной массы
важное значение имеет равномерное распреде-
ление компонентов, которое в этом случае оп-
ределяется вязкостью пластичного компонента
и количественным соотношением компонен-
тов.
В зависимости от назначения различают
смесители для перемешивания:
жидких пищевых продуктов;
пластичных пищевых продуктов;
сыпучих пищевых продуктов.
5.2.1. СМЕСИТЕЛИ ЖИДКИХ ПИЩЕВЫХ
ПРОДУКТОВ
Такие машины применяют для приготов-
ления растворов, эмульсий, суспензий и интен-
сификации тепловых, физических или химиче-
ских процессов.
В зависимости от конструктивного ис-
полнения рабочих органов машины для пере-
мешивания жидких пищевых продуктов могут
быть разделены на лопастные, пропеллерные,
турбинные, шнековые и инжекторные (табл. 5.1).
В условиях консервного производства
массообмен происходит при переносе твердой
фазы в жидкую, газообразной фазы в жидкую и
жидкой фазы в жидкую. Образующиеся на
границах двух фаз пленки создают основное
сопротивление массообмену. Задачей переме-
шивания является уменьшение толщины пле-
нок, образующихся при массообмене. Как из-
вестно, движущей силой процесса при массо-
обмене является разность концентраций веще-
ства в пленках.
Расчет растворения твердых тел в жидко-
стях при перемешивании проводится по обще-
му уравнению массообмена, имеющему вид:
G = /CFcpTACcp,
где G - количество растворенного вещества,
кг/(м2-ч)
кг; К - коэффициент растворения, -----—;
кг/м‘
5.1. Типы машин и их назначение
Тип рабочего органа мешалки Назначение Процесс
Лопастной (якорный) Для получения растворов, смешивания жидких продуктов или жидких продуктов с твер- дыми Периодический или непрерывный
Пропеллерный Для смешивания жидких продуктов, жид- ких с незначительным количеством твердого продукта, для получения растворов и интенсифи- кации реакций Периодический
Турбинный Для интенсификации реакций, для смеши- вания жидких продуктов или жидких с твердыми продуктами при значительной вязкости жидко- стей Периодический
Шнековый или спи- ральный Для смешивания твердых продуктов с жид- костями Периодический или непрерывный
Инжекторный или разбрызгивающий Для смешивания жидкостей Непрерывный
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ РАСТВОРОВ И СМЕСЕЙ
163
Fcp - средняя площадь поверхности раство-
2
римого тела, м ; т - продолжительность рас-
творения, ч; ДСср - средняя разность концен-
трации растворяемого вещества и раствора,
кг/м3.
На основании экспериментальных дан-
ных для определения коэффициента растворе-
ния К получены следующие уравнения:
для четырехлопастной мешалки при чис-
лах Рейнольдса Re = 3,3-102.. .7,5-103
( j2 У’4/- А0’5
“,1.96.10-4 HL? IJL]
D t H J \PDJ
для пропеллерной мешалки при
Re = 3,3 IO2...6,7105
— = 1,22 10“3
D
( ,2 V \0,5
nd р I ц I
где К - коэффициент растворения, м/ч; d- диа-
метр лопасти мешалки, м; D - коэффициент
диффузии растворяемого вещества в жидкость,
см2/с; п - частота вращения лопастей или про-
пеллера мешалки, с'1; р - плотность жидкости;
ц - динамическая вязкость жидкости.
Если при перемешивании преследуется
цель создания однородной смеси, то большое
значение имеет эффективность перемеши-
вания, под которой обычно понимают степень
однородности массы, достигаемой при данном
количестве подведенной полезной энергии в
единицу времени к единице перемешиваемого
объема.
Если обозначить через I однородность
перемешиваемой смеси, через Р - энергию,
затрачиваемую на перемешивание, и через К -
перемешиваемый объем, то
Мощность, кВт, потребляемая якорной
мешалкой (см. рис. 5.7, а) при перемешивании
жидких продуктов в двутельных котлах, рас-
считывается по формуле:
N = 0,005ри3(</„ -d^y
где р - плотность перемешиваемой среды,
кг/м3; п - частота вращения якоря мешалки, с"1;
dH - наружный диаметр лопасти якоря, м; dB -
внутренний диаметр лопасти якоря, м.
Мощность, потребляемая мешалками с
вертикальными лопастями, определяется по
формуле:
^ = 0,038pи3z/г(<74-</4),
где z - число пар вертикальных лопастей; h -
высота лопасти, м.
В лопастных мешалках смешивание
производится лопастями /, смонтированными
на вертикальном валу 2 (рис. 5.6). Лопасти
наклонены к горизонтали под углом 45°. Каж-
дая пара лопастей расположена под прямым
углом к соседней паре.
Для перемешивания жидкостей с повы-
шенной вязкостью применяют лопастные ме-
шалки с дополнительными неподвижными
лопастями, закрепленными на стенках сосуда,
которые препятствуют движению вязкой жид-
кости вместе с подвижными лопастями мешал-
ки. Для лучшего перемешивания жидкости
рабочим органом мешалок придают сложную
форму. На рис. 5.7, б показана лопасть, со-
стоящая из ряда полос, скрепленных между
собой на вертикальном валу. Нижняя часть
лопасти должна соответствовать профилю
днища смесителя. В мешалках со сферическим
днищем применяются лопасти якорного типа
(рис. 5.7, в и 5.7, г).
Рис. 5.6. Лопастная машина
6*
164
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
Рис. 5.7. Мешалка (а) и лопасти (б - г)
для вязких жидкостей
Пропеллерные мешалки характеризу-
ются постепенно изменяющимся наклоном
лопастей от 0° у оси до 90° на конце лопасти
(рис. 5.8). Поверхность лопасти представляет
собой элемент винтовой поверхности, шаг ко-
торой можно определить по уравнению, м,
Н = 2кг tg(p,
где г - радиус окружности, описываемой лопа-
стью, м; ф - угол наклона лопасти, °.
При вращении пропеллерной лопасти
частицы жидкости отбрасываются во все сто-
Рис. 5.9. Шнековая (спиральная) мешалка
роны, чем достигается интенсивное перемеши-
вание.
Пропеллерные мешалки применяются
главным образом для перемешивания невязких
жидкостей в сосудах, имеющих небольшие
диаметры. Они отличаются малым удельным
расходом энергии. Частота вращения пропел-
лера составляет 3...25 с'1. Эффект перемеши-
вания значительно повышается, если пропел-
лерную мешалку установить под углом
10...20° к вертикали или сместить относитель-
но центра сосуда.
Спиральная, или шнековая мешалка
представляет собой ленточный шнек, закреп-
ленный на вертикальном валу, который приво-
дится во вращение через коническую передачу
(рис. 5.9). Такие мешалки применяются глав-
ным образом для перемешивания пастообраз-
ных продуктов.
Турбинные мешалки применяют для
более вязких сред, а также в тех случаях, когда
форма сосуда не позволяет использовать про-
пеллерную мешалку. Эти устройства предна-
значены для интенсивного перемешивания при
приготовлении растворов, гидрогенизации
жиров, смешивании масел, а также в качестве
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ РАСТВОРОВ И СМЕСЕЙ
165
Рис. 5.10. Рабочие органы турбинных мешалок
эмульсаторов и смесителей для приготовления
и охлаждения крахмальных масс. Турбинные
мешалки изготовляют с одним или нескольки-
ми рабочими колесами, снабженными шестью
и более лопатками.
По конструкции рабочих колес турбин-
ные мешалки разделяются на открытые и за-
крытые; с прямыми (рис. 5.10, а), наклонными
(рис. 5.10, б) и криволинейными лопастями
(рис. 5.10, в, г). Турбинные мешалки с прямы-
ми радиальными лопатками или с изогнутыми
лопатками, но заканчивающимися под углом
90° (рис. 5.10, д) к касательной к наружной
окружности колеса, применяются для переме-
шивания жидкостей с вязкостью не более
5 Па с. Напор, создаваемый такими турбинка-
ми, не зависит от направления вращения коле-
са и от количества протекающей через них
жидкости. В открытых турбинках с изогнуты-
ми лопатками в сторону вращения колеса раз-
виваемый напор прямо пропорционален коли-
честву циркулирующей жидкости.
При размешивании вязких жидкостей ло-
патки турбинки должны быть направлены в
сторону, противоположную вращению колеса.
В этом случае развиваемый напор обратно
пропорционален количеству циркулирующей
жидкости. Закрытые турбинки применяются
обычно в мешалках для вязких жидкостей. В
этом случае их снабжают направляющими
элементами.
5.2.2. СМЕСИТЕЛИ ПЛАСТИЧНЫХ МАСС
Эти машины применяются в хлебопекар-
ной, макаронной и кондитерской отраслях пи-
щевой промышленности для замеса теста, пе-
ремешивания шоколадных масс и др., в мясной
для перемешивания мясного фарша с вкусовы-
ми и ароматическими ингредиентами, в кон-
сервной для перемешивания овощных и плодо-
вых масс. Эти машины могут быть периодиче-
ского и непрерывного действия. В зависимости
от назначения их снабжают различными по
форме рабочими органами.
Траектории движения рабочих органов,
направление и скорости движения выбираются
в соответствии с технологическим процессом,
осуществляемым этим смесителем. Рабочие
органы машин для перемешивания пластичных
пищевых продуктов могут выполняться в виде
качающегося рычага, вертикального или гори-
зонтального вала с лопастями различной фор-
рйы, двух Z-образных лопастей, вращающихся
навстречу друг другу с различными скоростя-
ми, в виде винтообразной лопасти и др.
В пищевой промышленности наиболее
широко распространены смесители типов
Л5-ФМ2-М-150 и Л5-ФМ2-М-340, техническая
характеристика которых приведена в табл. 5.2.
Основными частями фаршемешалки
(рис. 5.11) является станина /, корыто 3 с
крышкой 5, месильные винты 4, реверсивный
электродвигатель 11 привода? месильных вин-
тов, реверсивный двигатель 9 привода б опро-
кидывания корыта, электрооборудование 10,
ограничитель опрокидывания 7, редуктор 8.
5.2. Техническая характеристика
фаршемешалок
Показатели Л5-ФМ2-М-150 Л5-ФМ2-М-340
Объем корыта, м3 0,15 0,34
Коэффициент загрузки 0,75 0,75
Длительность цикла, с 420... 600 480...720
Продолжи- тельность оп- рокидывания корыта, с 18 30
Мощность электродвига- теля привода, кВт: лопастей опрокидыва- ния корыта 3 0,27 5,5 1,1
Габаритные размеры, мм 1630x730x980 1980x910x1235
Масса, кг 466 980
166
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
Рис. 5.11. Фаршемешалка
Производительность машины (кг/ч) пе-
риодического действия определяют по сле-
дующей формуле:
Zn + ^д
где Е - объем сосуда (корыта или чана), дм3;
р - плотность смеси продукта, кг/дм3; tn - вре-
мя, затраченное на перемешивание, мин; -
продолжительность (дополнительное время)
заполнения и опоражнивания сосуда и других
операций, мин; X - коэффициент использова-
ния объема сосуда.
Для смесителей, снабженных месильной
лопастью, вращающейся вокруг оси, потреб-
ную мощность для смешивания пластичных
продуктов с некоторым приближением можно
определить по формуле:
у (Ер)к +(E^k(Vo)k
точки, м/с; z - число лопастей, погруженных в
смесь; ~ радиальная составляющая сил
сопротивлений, действующих на лопасть;
- осевая составляющая сил сопротив-
лений, действующих на лопасть;
(£Д =/ ^cpPtg2
( я'
+ 2Ctgl 45° + |
(£о)*
45° + —
2
(cosot + ц sin а);
9 ( 3 А
Acpptg2l 45° + -j +
+ 2Ctg[45° + |
(sin а -|icosot),
где [VpJk ~ окружная скорость точки прило-
жения равнодействующей сил сопротивлений,
действующих на погруженную часть лопасти,
м/с; - осевая скорость движения этой
где /гср - средняя глубина погружения площад-
ки лопасти в продукт, см; 8 - угол внутреннего
трения продукта, °; С - удельное сцепление
продукта с материалом лопасти; а - угол на-
клона лопасти к оси вращения; f - площадь
лопасти, см2; ц - коэффициент трения продук-
та о лопасть.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ РАСТВОРОВ И СМЕСЕЙ
167
Если лопасть имеет сложную форму, то
силы сопротивления, действующие на лопасть,
определяют путем разбивки лопасти на эле-
ментарные площадки, для которых вычисляют
величины этих сил.
5.2.3. СМЕСИТЕЛИ СЫПУЧИХ ПРОДУКТОВ
В зависимости от метода смешивания и
конструктивного оформления эти машины
можно разделить на шнековые, с вращающи-
мися лопастями и барабанные.
Шнековые смесители. На рис. 5.12 пока-
зан смеситель периодического действия с вер-
тикальным шнеком. После заполнения бункера
1 несколькими сыпучими компонентами по-
следние многократно перемещаются шнеком 3
и подвергаются интенсивному перемешива-
нию. Шнек помещен в верхней 2 и нижней 4
трубах. Движение продукта в смесителе пока-
зано стрелками.
Производительность (кг/ч) смесителя с
вертикальным шнеком
zj ___________С?шнР_________
*/см — q >
т + (/зап + ^пазг )
х Jail pd3l ' р
где т - необходимое число перемещений про-
дукта в бункере; Е - рабочий объем бункера,
м3; Сап ~ продолжительность заполнения бун-
кера компонентами, мин; tpa3r- продолжитель-
ность разгрузки бункера, мин.
Производительность шнека (?шн (м3/ч)
£?шн
Фб0я(°2-'2>”
4
где D - наружный диаметр шнека, м; d- внут-
ренний диаметр шнека, м; 5 - шаг шнека, м; п -
частота вращения шнека, мин'1; (р - коэффици-
ент наполнения шнека; для горизонтального
шнека ср = 0,3...0,4, для вертикального шнека
(р = 0,75.
На рис. 5.13, а показан пропорциональ-
ный шнековый смеситель непрерывного дейст-
вия. В таком смесителе производится не только
перемешивание, но и дозирование компонен-
тов. Смеситель состоит из нескольких (в дан-
ном случае из трех) питающих шнеков 1 и одно-
го сборного смесительного шнека 2. Изменение
частоты вращения питающих шнеков, а следо-
вательно, состава смеси производится путем
Рис. 5.12. Шнековый смеситель периодического
действия с вертикальным шнеком
передвижения цевочных колес 6 вдоль проме-
жуточного вала 5 и соединения их с тем или
иным рядом кольцевых отверстий на диске 7.
Вращение рабочих органов смесителя осуще-
ствляется от привода через звездочку 8. Сме-
шиваемые компоненты загружаются в отдель-
ные закрома 3, снабженные питающими шне-
ками. Закрома разделены перегородками 4.
Суммарная максимальная производитель-
ность питающих шнеков не должна превышать
производительности смесительного шнека.
Потребная мощность для шнековых сме-
сителей может быть выражена через сумму
потребных мощностей на отдельные транс-
портные механизмы, входящие в конструкцию
машины. Например, для трех питающих шне-
ков потребная мощность
Д/— Д/j З- Д/2 Л^з + W4,
где Nz, W3 - мощность, потребная для при-
вода каждого из трех питающих шнеков, кВт;
Л/4 - мощность, потребная для привода разгру-
зочного шнека, кВт.
Мощность, потребная для привода шнека,
где Q - производительность шнека, т/ч; £0 ~
горизонтальная проекция рабочей длины шне-
ка, м; Н - вертикальная проекция рабочей дли-
ны шнека, м; и’о - коэффициент сопротивления
движению продукта по желобу шнека.
168
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
Лопастные смесители. В этих смесителях
сыпучие пищевые продукты перемешиваются
лопастями (радиальными или горизонтальны-
ми), вращающимися вокруг горизонтального
вала.
На рис. 5.13, б показан смеситель с гори-
зонтальными и радиальными лопастями. Он
представляет собой неподвижный корпус 1,
внутри которого вращается барабан с горизон-
тальными билами 2 и вал с радиальными лопа-
стями 3. Продукт поступает в верхний патру-
бок 4 и выходит через нижний 5. Горизонталь-
ные била и радиальные лопасти вращаются с
различными угловыми скоростями. При этом
била смешивают продукт, а лопасти смешива-
ют и передвигают продукт вдоль корпуса сме-
сителя.
Радиальные лопасти 3 можно устанавли-
вать под различными углами к оси вращения
барабана. Это позволяет изменять скорость
продвижения продукта, а следовательно, и
продолжительность его перемешивания.
Корпус смесителя заполняется продуктом
до 0,3 полного его объема.
Производительность смесителя непре-
рывного действия с вращающимися лопастями
(кг/мин)
TiD2
Q = 60сру-----хп ,
4
б)
Рис. 5.13. Смеситель непрерывного действия:
а - пропорциональный шнековый;
б - лопастной
гдеф - коэффициент подачи, зависящий от
конструкции лопастей и их расположения на
валу; D - наружный диаметр лопасти, дм; 5 -
шаг лопасти, дм; п - частота вращения лопа-
сти, мин -1; у- плотность смеси сыпучих про-
дуктов, кг/дм3.
Потребная мощность (кВт) для работы
смесителя имеет две составляющие и может
быть определена в соответствии с расчетными
схемами по такой формуле:
+Е2 +... + Ez^
102
W =
(Ep (vp *" (^o (^o ^k
102
- z
&=l-z2
где N[ и W2 - потребная мощность на преодо-
ление сопротивления продукта соответственно
горизонтальных бил и радиальных лопастей;
Zi - число горизонтальных бил, погруженных в
продукт; Z2 ~ число радиальных лопастей,
МАШИНЫ ДЛЯ ОЧИСТКИ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ
169
находящихся в продукте; E\_z ~ сила сопро-
тивления продукта, действующая на одно из
горизонтальных бил, кг;
E\-zx =У8(ЛСР)А/Иё 145+2
V\ - окружная скорость горизонтального била,
м/с; 8 - угол внутреннего трения продукта.
Барабанные смесители. В зависимости
от конструкции различают следующие разно-
видности смесительных барабанов:
цилиндробиконические или биконические
барабаны с горизонтальной осью вращения;
горизонтальные цилиндрические барабаны;
цилиндрические барабаны, вращающиеся
вокруг оси, расположенной по диагонали.
Общая потребная мощность для работы
смесительной машины
д, _N\+N1+Nti+N^
п
где /V/ - потребная мощность на преодоление
трения качения;
1 Dp2250 ’
где Dg “ диаметр бандажа барабана, м; п - час-
тота вращения барабана, мин1; i - количество
опорных роликов; Ц - коэффициент трения
качения; Р\ - реакция опорного ролика, кг;
Dp - диаметр ролика, м.
Потребная мощность на преодоление
трения скольжения
_ nDuD6P^in
2 Dp4500
Мощность, потребная на подъем продук-
та, непрерывно поступающего в барабан в ко-
личестве Q\ до угла естественного откоса 1|/,
N 217?о(1-COSTCO
3 75ф
где /?о - радиус центра тяжести массы продукта,
м; \|/ - угол естественного откоса продукта, °;
со - угловая скорость барабана, рад/с.
Потребная мощность на перемешивание
продукта в барабане
Q2Rq sin Ф
/Уд =----------,
75г|
где Q2 - масса продукта, находящаяся в бара-
бане, кг; г| - КПД передач.
Найденную расчетом мощность нужно
увеличить на 15...20% для компенсации воз-
можных случайных, трудно учитываемых со-
противлений, возникающих вследствие пере-
коса роликов, искривления оси барабана и др.
53. МАШИНЫ ДЛЯ ОЧИСТКИ
РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ
5.3.1. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ МАШИН
При производстве ряда консервов (ком-
потов, джемов, маринадов овощей) обязатель-
ным технологическим процессом является
процесс отделения кожицы у плодов, овощей,
клубней и корнеплодов. При этом также могут
удаляться несъедобные части плодов - семен-
ные гнезда, косточки, семена. Обязательной
очистке подлежат морковь, свекла, картофель,
корни пряных растений (петрушки и сельдерея).
Удаление кожицы возможно механиче-
ским воздействием на нее абразивного мате-
риала, рабочего инструмента. Обрабатываемый
продукт одновременно подвергается воздейст-
вию воды, которая смывает и уносит разру-
шенные частицы кожицы. Машины с абразив-
ным рабочим органом могут быть периодиче-
ского (камерные) и непрерывного действия.
Машины для очистки корне-, клубнеплодов
называют картофелеочистительными ма-
шинами (картофелечистками).
Для очистки корнеплодов, картофеля и
некоторых овощей используют также паровой
и пароводотермический способы.
Механическая очистка продуктов заклю-
чается в воздействии на них рабочих инстру-
ментов - ножей, терок, фрикционной (шерохо-
ватой) или щелочной очистительной поверхно-
сти. При этом благодаря относительному дви-
жению рабочих инструментов и продукта с его
поверхности счищается наружный покров. При
этом в рабочую камеру подается вода, которая
смывает отделенные частички кожуры с шеро-
ховатой поверхности и очищаемых клубней и
выносит их из рабочей камеры машины.
Равномерность очистки зависит от рав-
номерности соприкосновения всей поверхно-
сти клубня с шероховатыми поверхностями
машины, а также от интенсивности прижатия
клубня к чистящим поверхностям и скорости
относительного движения между ними. Все эти
факторы зависят от формы рабочей камеры и
рабочего инструмента, а также от траектории и
скорости движения клубней в рабочей камере
картофелеочистительной машины.
170
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
ПГ
Рис. 5.14. Машина периодического действия
для очистки корнеплодов от кожуры
При очистке механическим способом клуб-
ни различной величины требуют разного време-
ни обработки, что приводит к необходимости
предварительной калибровки продукта по раз-
меру. Места залегания глазков, участки с вогну-
той поверхностью, а также механически и био-
логически поврежденные дочищаются вручную.
В зависимости от формы рабочего органа
картофелеочистительные машины периодиче-
ского действия подразделяют на конусные и
дисковые. У картофелеочистительных машин
непрерывного действия рабочие органы вы-
полнены в виде роликов. Конусные картофеле-
чистки имеют рабочий орган в виде вращаю-
щегося усеченного конуса, у которого днище и
поверхность конической части с внутренней
стороны выполнены из абразивного материала.
Дисковые картофелечистки имеют рабо-
чий орган в виде вращающегося диска, верхняя
поверхность которого имеет волнообразную
форму и выполнена из абразивного материала.
На поверхности диска имеются две - четыре
волны, высота которых постепенно увеличива-
ется от середины диска к его краям. По мере
приближения к центру диска высота волн
стремится к нулю.
К этим машинам относятся картофелеочи-
стительный сменный механизм универсальный
малогабаритной кухонной машины УММ-ПР
(УММ-ПС), картофелеочистительные машины
типа КА-150М и КА-350М и выпускаемые
многими зарубежными фирмами. Различные
модели отличаются лишь конструктивным
оформлением отдельных элементов и их раз-
мерами, объемом рабочей камеры и потреб-
ляемой мощностью.
На рис. 5.14 показана машина периодиче-
ского действия с диковым рабочим органом
для очистки корнеплодов от кожуры. Внутрен-
няя поверхность неподвижной чугунной рабо-
чей камеры имеет чередующиеся выступы и
впадины, препятствующие совместному вра-
щению корнеплодов с вращающимся диском 4.
Поверхность диска покрыта абразивной массой
с зернами размером 2... 5 мм.
Периодическая загрузка продукта прово-
дится при открытой крышке 2 и закрытой раз-
грузочной дверце 7, расположенной в нижней
части лотка 77. Рабочий диск 4 приводится во
вращение валом 5 от электродвигателя 9 через
зубчатую пару 8 и 10. К нижней поверхности
диска прикреплены скребки 6 для удаления
снятой кожуры из машины через патрубок 13.
Для смывания разрушенной кожуры с
продукта внутрь рабочей камеры под напором
подается чистая водопроводная вода через
форсунку 12. Для смазывания вертикального
вала машины имеется масленка 7. Все детали
смонтированы на станине 14.
Техническая характеристика картофелео-
чистительных машин периодического действия
приведена в табл. 5.3.
5.3. Техническая характеристика картофелеочистительных машин периодического действия
Параметр 822-5 КА-150М КА-350М МОК-125 МОК-250 МОК-400
Производительность по сырью, кг/ч 50 150 350 125 250 400
Объем рабочей камеры, л 8 10 20 16 28 50
Мощность электродвигателя, кВт 0,25 0,4 0,6 0,4 0,6 1,1
Частота вращения электродвигателя, мин'1 - 1410 1410 910 1410 1410
Частота вращения рабочего органа, мин'1 350 350 265 360 360 360
515х 640х 645 х 455х 500х 565х
Габаритные размеры, мм, ЗОх 550х бЗОх 375х 420х 485х
длинахширинахвысота 420 900 960 900 945 1000
Масса, кг 20 120 170 85 105 155
МАШИНЫ ДЛЯ ОЧИСТКИ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ
171
Непрерывно действующая картофелечист-
ка с рабочими органами в виде усеченого конуса
типа КНА-600М (рис. 5.15) устанавливается на
крупных предприятиях массового питания или в
специализированных цехах очистки картофеля
на базах хранения. Рабочей частью этой маши-
ны являются двадцать валиков 2. Каждый валик
представляет собой металлическую трубу, на
которую насажены 12 роликов, выполненных из
абразивного материала. Ролики имеют форму
усеченных конусов. Рядом стоящие ролики со-
вмещаются на трубе одинаковыми диаметрами.
В результате этого валик имеет волнистую фор-
му, что во время очистки клубней обеспечивает
большую площадь поверхности соприкоснове-
ния их с абразивной поверхностью валиков.
Боковые и торцовые стенки рабочей камеры и
перегородки между секциями также покрыты
абразивными пластинками. Под абразивными
валиками расположена ванна 5, из которой вода
и очистки во время обработки поступают к
сливному патрубку.
Камера очистительной машины разделена
на четыре секции 1. Над каждой секцией уста-
новлен душ. Через загрузочный бункер 4 кор-
неплоды попадают на быстровращающиеся
абразивные ролики первой секции. В дальней-
шем клубни совершают путь по ширине маши-
ны во второй секции и т.д. к выгрузочному
окну машины.
Техническая характеристика картофеле-
чистки КНА-600М приведена ниже.
Производительность (по очи-
щенному картофелю), кг/ч..... 600...8000
Удельный расход воды, дм3/кг . . 2...2,5
Мощность электродвигателя, кВт 3
Частота вращения валков, мин'1 .. 1000
Габаритные размеры, мм ... 1490x1145x1275
Масса, кг.................... 480
Ряд зарубежных фирм, специализирую-
щихся на выпуске картофелеочистительного
оборудования (Alexanderwerk, Hobart, Solia,
Fammic и др.), вместо абразивных рабочих
органов применяют пластины с отверстиями
определенного диаметра или прорезями, иг-
рающими роль скребков. Боковые поверхности
внутреннего цилиндра выполняются из упруго-
го пластического неабразивного материала.
При такой конструкции существенно повыша-
ется качество получаемого продукта благодаря
Рис. 5.15. Картофелечистка непрерывного
действия типа КНА-600М
снижению повреждаемости поверхностного
слоя.
Отдельные модели картофелечисток
имеют рабочие органы в виде: упругих нитей,
закрепленных на вращающемся валу, который
расположен в рабочей камере; двусторонних
изогнутых ножей, жестко закрепленных на
оригинальном вращающемся диске.
Одной из установок, в которых осущест-
вляется термическая очистка, является агре-
гат, показанный на рис. 5.16. Он имеет наклон-
ный цилиндрический корпус 2, внутри которо-
го с частотой 10...27 мин 1 вращается шнек 9.
Предварительно вымытое сырье наклонным
скребковым конвейером 6 подается к прием-
ному патрубку питателя (шлюзового затвора)
5, находящегося над нижним концом шнека, и
порциями поступает внутрь цилиндрического
корпуса. Перемещаясь шнеком 9 вверх, про-
дукт одновременно обрабатывается паром и
интенсивно перемешивается. Из корпуса шнека
корнеплоды попадают в верхний, разгрузочный
шлюзовый затвор 12, в камерах которого дав-
ление резко падает до атмосферного, вследст-
вие чего влага под кожицей вскипает, кожица
разрывается и частично отделяется. Оконча-
тельно кожица удаляется в моечной машине.
Привод шнека осуществляется от элек-
тродвигателя 1, привод шлюзовых затворов -
от электродвигателя 8. На корпусе находятся
предохранительный клапан 3 и манометр 4.
Отработанный пар отводится от затворов в
трубу 10, в которую для лучшей его конденса-
ции подается холодная вода. Все узлы
смонтированы на раме //, закрытой
ограждением 7. Техническая характеристика
агрегата приведена ниже.
172
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
Рис. 5.16. Агрегат для паровой очистки корнеплодов
Производительность, т/ч.......6
Давление пара, МПа............ 0,1...0,8
Расход пара, кг/ч............. 400
Частота вращения, мин’1:......
ротора питателя .......... 3,68
шнека..................... 28,6...38,8
Габаритные размеры, мм ... . 7780x1200x3760
Масса, кг..................... 3375
Пароводотермическая очистка картофе-
ля, свеклы, моркови осуществляется в агрегате
А9-КЛШ/30 (рис. 5.17). Он состоит из наклон-
ного сдвоенного винтового дозировочного
конвейера / для циклической подачи корне-
клубнеплодов в автоклавные камеры 2, снаб-
женные затворами, управляемыми пневмоци-
линдрами. Выгружаемые из автоклавных камер
обработанные паром плоды перемещаются
горизонтальным винтовым конвейером 10 к
наклонному винтовому конвейеру 4, передаю-
щему клубни на последующую обработку. На
станине 9 размещены все составные части ап-
парата, коммуникации 3, 5 и 7 соответственно
для пара, воды и сжатого воздуха, электрообо-
рудование 6 и площадка для обслуживания 8.
Вымытый продукт подается наклонным
сдвоенным винтовым конвейером / в одну из
автоклавных камер 2. В исходном положении
перед загрузкой камера ориентирована загру-
зочной воронкой вертикально вверх, при этом
затвор расположен в крайнем нижнем положе-
нии и обеспечивает свободный вход клубней
картофеля во внутреннюю полость камеры.
После загрузки заданной порции продук-
та затвор пневмоцилиндром и рычажной сис-
темой перемещается в крайнее верхнее поло-
жение (к горловине камеры) и обеспечивает
предварительную герметизацию камеры. Окон-
чательная герметизация горловины камеры
затвором происходит после подачи острого
пара во внутреннюю полость давлением
0,7...0,8 МПа. При этом камера получает вра-
щательное движение. По истечении установ-
ленного времени происходит быстрый сброс
давления пара, открывается затвор и выгружа-
ется порция обработанного продукта. В корпу-
се винтового конвейера происходит обработка
продукта водой при температуре 70...75 °C.
Технологический процесс циклически повто-
ряется. Техническая характеристика агрегата
A9-KJ1LL1/30 приведена ниже.
Производительность, кг/ч........ 9600
Объем автоклавной корзины, дм3 . . 2x750
Загрузка за один цикл, кг....... 2x200
Потребление:
пара (при давлении
0,7... 0,8 МПа), кг/ч........ 1550
воды (при давлении
0,2 МПа), м’/ч............... 2,0
сжатого воздуха (при дав-
лении 0,6 МПа), м3/ч.........9,5
электроэнергии, кВт ч........ 8,5
Габаритные размеры, мм ... . 7850x4850x4550
Масса, кг...................... 7450
МАШИНЫ ДЛЯ ОЧИСТКИ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ
173
Рис. 5.17. Агрегат для пароводотермической очистки
корнеплодов А9-КЛШ/30
5.3.2. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ
Картофелеочистительные машины
непрерывного действия. Производитель-
ность машины
Q = Fvp<p, (5.1)
где F - площадь разгрузочного окна, м2;
v - скорость выхода картофеля из разгрузочно-
го окна, м/с; в зависимости от времени обра-
ботки картофеля в машине v = 0,03...0,05 м/с;
ф - коэффициент, учитывающий неравномер-
ность выхода картофеля; <р = 0,5...0,6; р - на-
сыпная масса, кг/м3.
Мощность, которую необходимо сооб-
щить приводному валу машины в процессе
обработки картофеля, затрачивается на прео-
доление силы трения между клубнями карто-
феля и абразивной поверхностью роликов, в
подшипниках и передаточном механизме. Так
как рабочие органы совершают вращательное
движение, мощность можно определить по
формуле
W = AfTp(Op/r|, (5.2)
где - момент трения на рабочем инстру-
менте, возникающий от силы трения между
клубнями и роликами, Н м; (Ц, - угловая ско-
рость роликов, рад/с; Т| - КПД машины.
Исходя из предположения, что все роли-
ки равномерно загружены слоем обрабатывае-
мого продукта общей массой т, момент
может быть определен следующим образом:
Л^тр = 7гср — ^S/тр^ср ’ (5«3)
174
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
где Т - сила трения между клубнями и абра-
зивными роликами, Н; гср - средний радиус
абразивного ролика, м; тп - масса одновремен-
но обрабатываемого в рабочей камере продук-
та, кг; /ц, - коэффициент трения клубней кар-
тофеля об абразивную поверхность;/^ = 0,8.
В результате получаем
. (541
ЗОЛ
где п - частота ращения роликов.
Дисковые картофелеочистительные
машины. Определение основных параметров.
При конструировании машин с дисковым ра-
бочим органом рабочий объем цилиндрической
камеры Го устанавливается исходя из заданной
производительности. Полезную, отсчитывае-
мую от диска высоту рабочей камеры Н при-
нимают равной 1/2 диаметра D или несколько
больше (рис. 5.18). При этом должно выпол-
няться требование
D>46,
где 8 - поперечный размер среднего клубня.
Для обеспечения оптимальной траекто-
рии циркулирования клубней картофеля внут-
ри рабочей камеры определяющими являются
профиль волнообразных выступов и частота
вращения рабочего абразивного диска.
Для лучшей очистки клубней необходи-
мо, чтобы подбрасывание его было наиболь-
шим при возможно меньшем ударе в горизон-
тальном направлении, которое приводит к по-
вреждению клубней. Максимальная разность
кинетической энергии в вертикальном и гори-
зонтальном направлениях достигается при зна-
чениях угла подъема волны = 20...25° [3].
Рис. 5.18. Схема расположения продукта
при работе дисковой картофеле-
очистительной машины
Частота вращения диска, необходимая
для эффективной работы машины, определяет-
ся следующим образом. Для перемещения
клубня, находящегося в центральной части
диска, к стенкам камеры (без перекатывания)
необходимо, чтобы минимальная центробеж-
ная сила была не меньше силы трения клубня
об абразивную поверхность диска:
2 , 2
^min “ v — ^ск min ) rmm — гр ’ (5-5)
где т - масса клубня; rmin - минимальное рас-
стояние клубня от оси вращения, принимаемое
равным 0,5; /]р - коэффициент трения клубня
об абразивную поверхность диска; &CKmjn -
коэффициент обратного проскальзывания в
центральной части диска; &скп„п = 0,2.
После преобразований получаем
(5.6)
Считая кск mjn 0,2, /^ 0,9, rmjn 0,5,
8 = 3 см, получим Л71П;П = 205 мин’1.
Для интенсификации процесса очистки, а
также с учетом относительно приближенного
характера расчетов A7tnin целесообразно увели-
чить на 20...25%.
Определение производительности. Произ-
водительность дисковой картофелечистки по
сырью определяется по следующей формуле:
Q ЗбООКрфр 3600Gc (57)
G + ^обр + + ^обр +
где Го - геометрический объем рабочей каме-
ры, м3; (р - коэффициент заполнения объема
продуктом (рекомендуемая на 2/3 объема ка-
меры); р - насыпная плотность продукта, кг/м3;
Gc - масса загруженного в машину сырья, кг;
t3, /обр, 4 ~ продолжительность соответственно
загрузки, обработки и выгрузки, с.
Производительность машины по готово-
му продукту определяется по той же формуле
(5.7), но вместо массы сырья С7с подставляется
масса готового продукта Gr п .
Конусные картофелеочистительные
машины. Определение основных параметров.
Конусные картофелечистки выпускаются со
сравнительно незначительным различием меж-
ду большим D и малым dK диаметрами усечен-
ного конуса и небольшой высотой hK абразив-
МАШИНЫ ДЛЯ ОЧИСТКИ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ
175
ной чаши (рис. 5.19). Высоту цилиндрической
части принимают равной радиусу рабочей ка-
меры: Н > 0,57? . В конической части рабоче-
го диска должен размещаться один клубень,
следовательно,
Лк >8cos0,
где 0-1/2 угла при вершине конуса в абра-
зивной чаше; 8 - поперечный размер среднего
клубня.
Для обеспечения оптимальной траекто-
рии циркулирования клубней картофеля внут-
ри рабочей камеры машины необходимо, что-
бы минимальная центробежная сила, дейст-
вующая на клубень, находящийся на мини-
мальном расстоянии от центра вращения рабо-
чего органа, была больше силы трения между
клубнем и поверхностью днища (без учета
перекатывания клубня):
Cmin > Т • (5.8)
Минимальная частота вращения конусно-
го рабочего диска аналогична частоте враще-
ния плоского диска и определяется по формуле
(5.6). Конструкция конусного диска позволяет
для интенсификации процесса очистки увели-
чить полученное значение на 50...60%.
При определении угла 0 при вершине
конуса рабочего диска необходимо исходить из
условия, что клубень, находящийся на кониче-
ской части рабочего органа, должен быть от-
брошен на стенку рабочей камеры. Очевидно,
что клубень будет перекатываться вверх по
образующей при условии, что
Со > <J0,
где Со - составляющая силы инерции клубня,
направленная вверх вдоль образующей конус-
ной чаши; С70 - составляющая силы инерции
клубня, направленная вдоль образующей кони-
ческой чаши вниз.
Подставляя их значения, получим
шсОр (1 - ЛГСК )2 г sin 0 > wgcosO, (5.9)
откуда
tgO = —----------7-. (5.10)
®р(1-^ск) '
где т - масса клубня; (0р - угловая скорость
рабочего диска, рад/с; Кск - коэффициент про-
скальзывания; г - расстояние от центра конуса
до центра тяжести клубня, м.
Рис. 5.19. Схема расположения продукта
при работе конусной картофеле-
очистительной машины
Так, при г = 0,1 м, Кск = 0,6 и
(Dp = 38 рад/с имеем угол 0 = 23°.
Мощность, потребная для работы конус-
ной картофелечистки в стационарном режиме,
передается трением абразивной поверхности
вращающейся чаши о продукт. В данном слу-
чае нельзя исходить из модели движения одно-
го клубня, поэтому под продуктом подразуме-
вается сыпучее тело, состоящее из множества
клубней общим весом G = mg. I Предаваемая
продукту мощность затрачивается на работу
сил трения, сопровождающуюся резанием.
Кроме того, мощность затрачивается на
подбрасывание клубней на высоту волнообраз-
ных радиальных выступов. В данном случае
этой слагаемой пренебрегаем ввиду предполо-
жительной малости величины, поскольку ос-
новное преимущество конусных картофелечи-
сток и заключается в слабых ударных воздей-
ствиях на продукт со стороны волн.
Для расчета мощности конусной карто-
фелечистки примем, что движущий момент
трения Л/рр, передаваемый рабочим органом
(конусной чашей) продукту, состоит из двух-
слагаемых: из момента трения Л/тр| продукта о
плосковолнистое днище и момента трения М^2
продукта о конические борта чаши.
Момент трения Л/тр| продукта о днище
.. л б/4 ..
ЛЛР1 = —Y/tga.
где a - угол откоса сыпучего продукта при
вращении чаши; принимается при расчетах
а 45° (фактически он зависит от и).
176
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
Момент трения продукта о кониче-
ские борта чаши определяется с учетом допу-
щения, что учитывается только трение продук-
та в результате собственного веса:
+|jctg0(D3 -J3)
где 0-1/2 угла при вершине конуса; а - угол
откоса продукта; г - переменный радиус; 0,5d -
радиус днища.
Полный момент трения продукта о чашу
(без учета трения, возникающего в результате
прижатия продукта к конусной поверхности
центробежной силой)
Л/ тр = М тр! + М тр2 ’
а мощность
N = Л/1рО).
В настоящее время в серийном произ-
водстве находится достаточно большое коли-
чество моделей картофелеочистительного обо-
рудования [8], которые, как уже отмечалось, не
имеют принципиального различия. В связи с
этим целесообразно сравнивать это оборудова-
ние между собой по удельным показателям (на
единицу производительности). В табл. 5.4
5.4. Массогабаритные и энергетические показатели качества очистительного оборудования
Марка оборудования Производительность, кг/ч Удельная занимаемая площадь, 103/м2 кг/ч Удельная масса, кг кг/ ч Удельная мощность, Вт кг/ ч
МО-1 * 80 2,69 0,73 4,63
МОКС-16 125 1,76 0,88 3,60
МОК-125 125 1,61 0,68 2,96
МОК-125 ** 125 1,93 0,68 3,20
К7-МОК-125 125 2,29 1,28 4,40
МОК-150 100 2,53 0,55 3,70
МОКС-28 250 1,17 0,52 3,80
МОК-250 250 1,08 0,40 3,20
МОК-250М 250 1,27 0,41 3,20
К7-МОК-250 250 1,41 0,80 4.40
МОК-ЗОО 150 1,64 0,41 3,67
МО-2 300 1,15 0,21 1,83
УОМ-ЗОО 300 2,22 0,18 5,00
МОК-400 400 0,85 0,35 2,75
MOOJ1-500 300 0,94 0,20 7,33
МОК-1200 1200 0,87 0,36 3,13
МОЛ-100 100 2,50 0,55 3,70
МОЛ-100** 100 2,50 0,55 3,70
МОЛ-1 120 2,03 0,42 4,58
КНА-600М 600 2,88 1,10 5,00
КЦА-600М1 600 2,86 1,00 4,50
* Разработка готова к серийному производству.
** Серийно производится по состоянию на 1995 г.
СЕПАРИРОВАНИЕ ЗЕРНА И КРУПЯНЫХ КУЛЬТУР
177
приведены массогабаритные и энергетические
показатели качества очистительного оборудо-
вания.
Анализ патентной документации [2] по-
зволил выявить тенденции развития картофе-
леочистительного оборудования на мировом
уровне. Наиболее перспективными направле-
ниями повышения технического уровня и
качество картофелеочистительного оборудо-
вания являются: повышение качества полу-
чаемого продукта и удельной производительно-
сти. улучшение условий повышения санитар-
ной обработки машины, повышение надежно-
сти оборудования и безопасности его эксплуа-
тации.
5.4. СЕПАРИРОВАНИЕ ЗЕРНА И
КРУПЯНЫХ КУЛЬТУР
Одной из основных операций, опреде-
ляющих эффективность производства и каче-
ство готовой продукции в процессах приемки,
хранения и переработки зерна является его
сепарирование. На зерноперерабатывающих
предприятиях сепарирование применяют для
очистки зерна от примесей, сортирования зерна
на фракции, калибрования зерна, отбора и кон-
троля готовой продукции. При очистке зерна
воздушным потоком выделяют так называемые
аэроотделимые примеси, к которым относят
цветочные оболочки, части стеблей и колосьев,
полову, семена сорных растений, щуплые зерна
основной культуры, пыль и т.д. При разделе-
нии продуктов шелушения крупяных культур
воздушным потоком выделяют лузгу и мучку.
5.4.1. ВОЗДУШНЫЕ СЕПАРАТОРЫ
Пневмосепарирование - процесс разде-
ления смесей в воздушном сепараторе. Пнев-
мосепарирование основано на различие аэро-
динамических свойств частиц разделяемых
компонентов смеси.
Классификация воздушных сепарато-
ров. В зависимости от взаимодействия сил,
действующих на частицы разделяемых компо-
нентов сыпучей смеси, воздушные сепараторы
подразделяются натри класса: 1) гравитацион-
ные: 2) центробежные; 3) аэрогравитационные
(с псевдоожиженным слоем). По принципу
использования воздушных потоков сепараторы
подразделяются на три подкласса: с разомкну-
тым циклом воздуха (РЦВ), с замкнутым цик-
лом воздуха (ЗЦВ) и комбинированным цик-
лом воздуха (КЦВ).
Отдельную группу составляют воздуш-
ные сепараторы, встраиваемые в пневмотранс-
портные установки и совмещающие функции
разгрузителя транспортируемого продукта и
воздушного сепаратора.
В зерноперерабатывающих предприятиях
используют преимущественно гравитационные
воздушные сепараторы с разомкнутым, замк-
нутым или комбинированным циклом воздуха.
При этом в зависимое!и oi конструкции воз-
душного сепаратора в рабочем (пневмосепари-
рующем) канале воздушный поток может быть
вертикальным (восходящим), наклонным или
горизонтальным. Наибольшее распространение
благодаря конструктивной простоте и ком-
пактности устройств получили сепараторы с
вертикальным воздушным потоком.
Эффективность очистки Г| (%) зерна в
производственной практике оценивают отно-
шением массы примесей, выделяемых воздуш-
ным потоком из зерновой смеси, к массе аэро-
отделимых примесей, находившихся в исход-
ной смеси:
A(l -(7/100)
п = —'--------400. (5.11)
В
где А - масса относов, кг; а - содержание пол-
ноценного зерна в относах (% их массы), кг;
В - масса аэроотделимых примесей в исходной
зерновой смеси, кг.
Воздушный режим в воздушных сепара-
торах устанавливают такой, чтобы содержание
полноценного зерна в относах а не превышало
2%.
Гравитационные воздушные сепараторы с
разомкнутым циклом воздуха называются ас-
пирационными колонками. Наибольшее рас-
пространение преимущественно в зерноочисти-
тельном отделении мукомольных заводов полу-
чила аспирационная колонка марки РЗ-БАБ
(рис. 5.20).
Основным недостатком аспирационных
колонок является большое влияние их работы
на воздухообмен в рабочем помещении. К их
достоинствам относится использование отно-
сительно чистого воздуха, забираемого из по-
мещения для пневмосепарирования.
Аспирационная колонка РЗ-БАБ предна-
значена для очистки зерна от аэроотделимых
примесей. Приемная камера 12 сепаратора
сварной конструкции имеет отверстие в верх-
ней части для поступления зерна в смотровое
окно. Корпус изготовлен из листовой стали в
виде вертикального прямоугольного канала.
Его основание сварено из уголков.
178
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
10
Рис. 5.20. Аспирационная колонка РЗ-БАБ:
1 - смотровое окно; 2 - дросселирующая заслонка;
3 - штурвал заслонки;
4,9- штурвалы подвижной стенки;
5 - подвижная стенка; 6 - пневмосепарирующий
канал; 7 - пружина; 8 - жалюзи; 10- вибратор;
11 - вибролоток; 12 - приемная камера;
13 - ограничитель хода
На боковинах колонки по всей высоте
расположены смотровые окна /. Задняя стенка
имеет жалюзи 8 для поступления воздуха в
пневмосепарирующий канал. Внутри корпуса
установлена подвижная стенка 5, которая с
передней стенкой корпуса образует пневмосе-
парирующий канал 6. Подвижная стенка со-
стоит из верхней и нижней частей, шарнирно
соединенных между собой. Положение обеих
частей регулируют штурвалами 4 и 9 так, что
можно устанавливать различную скорость воз-
духа в верхней и нижней частях пневмосепа-
рирующего канала.
В верхней части пневмосепарирующего
канала установлена дросселирующая заслонка
2 для регулирования расхода воздуха. Ее по-
ложение фиксируют штурвалом 3.
Вибролоток // сварной конструкции
обеспечивает подачу зерна в пневмосепари-
рующий канал. Резиновая накладка вибролотка
служит днищем приемной камеры. С корпусом
лоток соединен резиновыми подвесками и
пружинами 7, которые обеспечивают необхо-
димый подпор зерна в приемной камере неза-
висимо от нагрузки, что предотвращает подсос
воздуха в пневмосепарирующий канал из при-
емной камеры. Для установления начального
зазора между вибролотком и приемной каме-
рой служит ось с ограничителем хода 13, пред-
ставляющее собой винтовое устройство, на
которое опирается вибролоток.
Вибролоток приводится в колебательное
движение инерционным вибратором 10, кото-
рый представляет собой электродвигатель с
дебалансными грузами. Изменяя их положе-
ние, увеличивают или уменьшают амплитуду
колебаний вибролотка в пределах 1,5...2,5 мм.
На боковой стенке корпуса расположена
люминесцентная лампа, освещающая пневмо-
сепарирующий канал, что облегчает визуаль-
ный контроль и регулирование рабочего про-
цесса. Сепаратор устанавливают на подставке,
которую крепят к перекрытию этажа.
Основное количество воздуха, проходя
под вибролотком //, объединяется с воздухом,
поступающим через жалюзи задней стенки, и
пронизывает слой зерна. Дополнительное по-
ступление воздуха через жалюзи препятствует
оседанию пыли в пневмосепарирующем канале.
Легкие примеси вместе с воздухом поднима-
ются вверх по каналу и уносятся в аспираци-
онную систему, а очищенное зерно выводится
через выпускной патрубок. Техническая харак-
теристика аспирационной колонки РЗ-БАБ
следующая.
Производительность, т/ч......... 10,5
Эффективность очистки зерна, %... 65...75
Расход воздуха, м3/ч............ 4800
Частота колебаний вибролотка,
мин'1........................... 1420
Мощность, кВт:
элект ровибратора............ 0,12
светильника..................0,04
Размеры пневмосепарирующего
канала, мм:
длинахширинахвысота. . . . 1005x180x1450
Габаритные размеры
сепаратора, мм:
длинахширинахвысота.... 1130x950x1450
Масса, кг....................... 270
Аспираторы - гравитационные воздуш-
ные сепараторы с замкнутым циклом воздуха.
Циркулирующий в сепараторе воздушный по-
ток не оказывает влияния на воздухообмен в
помещении. В этом главное достоинство аспи-
раторов. Воздушный поток для осуществления
СЕПАРИРОВАНИЕ ЗЕРНА И КРУПЯНЫХ КУЛЬТУР
179
Рис. 5.21. Аспиратор А1-БДЗ-6:
/ - приемный патрубок; 2 - ротор диаметрального
вентилятора; 3 - дросселирующая заслонка;
4 - осадочная камера; 5 - рециркуляционный
канал; 6- привод; 7- шнек; 8 - выпускной
патрубок; 9 - пневмосепарирующий канал;
10- приемная камера; 11 - делитель
процесса пневмосепарирования создается ра-
диальным, осевым или диаметральным венти-
лятором. В наиболее совершенных аспираторах
применяют диаметральный вентилятор. К та-
кой машине относится аспиратор типа А1-БДЗ
(рис. 5.21).
Аспираторы А1-БДЗ-6 и БДЗ-12 с замк-
нутым циклом воздуха и диаметральным венти-
лятором предназначены для разделения продук-
тов шелушения крупяных культур (табл. 5.5).
Состоят из приемного патрубка / и кор-
пуса, представляющего собой сборно-сварную
конструкцию из листовой стали, внутренние
стенки и перегородки которой образуют при-
емную 10 и осадочную камеры 4Ч вертикальные
пневмосепарирующий 9 и рециркуляционый 5
каналы. В осадочную камеру 4 по длине маши-
ны встроены ротор диаметрального вентилято-
ра 2 и шнек 7 для вывода осажденных относов.
В верхней части приемной камеры установле-
ны двухклапанный механизм с грузовыми кла-
панами и делитель //, позволяющий лучше рас-
пределить продукт по ее длине и длине пнев-
мосепарирующего канала 9. Для регулирова-
ния воздушного режима на входе в осадочную
камеру предусмотрена поворотная дроссели-
рующая заслонка 3 обтекаемой формы. С про-
тивоположной стороны привода ротора име-
ются окно для вывода отсосов из шнека и
5.5. Техническая характеристика аспираторов
А1-БДЗ-6 и А1-БДЗ-12
Параметры А1- БДЗ-6 А1- БДЗ-12
Производительность (техниче- ская), т/ч: выделение лузги и мучки из продуктов шелушения риса очистка зерна пшеницы или риса от аэроотделимых примесей гречихи овса 3,75 3 7,5 12
Технологическая эффектив- ность, %: извлечение лузги при разде- лении продуктов шелуше- ния крупяных культур выделение аэроотделимой примеси из зерна пшеницы или риса Не менее 85 Не менее 60
Содержание полноценного про- дукта в относах осадочной ка- меры, % 2 Не более 2
Размеры пневмосепарарующего канала, мм длина ширина 600 140 1200 140
Диаметральный вентилятор: диаметр ротора, мм число лопаток ротора частота вращения ротора, с'1: при обработке риса, гречихи при очистке от примесей зерна пшеницы или овса риса 200 29 12,5 14,2 200 29 12,5 14,2 15,6
Шнек для вывода относов: диаметр, мм частота вращения, с’1 150 2,5 150 2,5
Установленная мощность элек- тродвигателя, кВт 1,1 1,5
Габаритные размеры, мм ЮООх х!300х х1860 1600х х!300х х!860
Масса, кг 430 600
180
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
противоподсосный клапан. Привод 6 вентиля-
тора и шнека - от электродвигателя, клиноре-
менной передачи и контрпривода.
В гравитационных воздушных сепараторах
с комбинированным циклом воздуха до 10 %
воздуха обновляется, и таким образом в этих
сепараторах снижено влияние недостатков и
объединены достоинства сепараторов как с
РЦВ, так и с ЗЦВ, т.е. они не оказывают боль-
шого влияния на воздухообмен в рабочем по-
мещении, как это имеет место в аспирацион-
ных колонках, и в то же время процесс пневмо-
сепарирования осуществляется в них более
чистым воздухом, чем в аспираторах, в кото-
рых с воздушным потоком циркулирует боль-
шая часть наиболее легкой примеси, не осевшей
в относоосаждающем устройстве аспираторов.
К гравитационным воздушным сепарато-
рам с комбинированным циклом воздуха отно-
сится воздушный универсальный сепаратор
А1-БДК-2,5 (рис. 5.22). Этот сепаратор может
работать как на ЗЦВ, так и на КЦВ в зависимо-
сти от его места в технологическом процессе.
Рис. 5.22. Универсальный воздушный
сепаратор А1-БДК-2,5:
/ - приемный патрубок; 2 - камера;
3 - пневмосепарирующий канал;
4 - выпускной патрубок; 5 - шнек; 6 - привод;
7 - канал для подвода чистого воздуха;
8 - канал для отвода запыленного воздуха;
9 - рециркуляционный канал; 10 - осадочная
камера; / / - дросселирующая заслонка;
12 - ротор диаметрального вентилятора
Так, в начале технологического процесса ше-
лушильного отделения крупозавода после ше-
лушильных машин используют сепаратор с
ЗЦВ. В конечной стадии, на контроле крупы,
где предъявляются более высокие требования к
чистоте воздуха, осуществляющего пневмосе-
парирование, применяют КЦВ, так как при-
мерно 80 % наиболее легких примесей, не
осевших в осадочной камере машины, уходит в
аспирационную установку, обслуживающую
машину.
Универсальный воздушный сепаратор
А1-БДК-2,5 предназначен для разделения про-
дуктов шелушения крупяных культур - отбора
лузги и мучки, контроля крупы и лузги. Уста-
навливается в шелушильных отделениях заво-
дов по производству круп. Он состоит из при-
емного патрубка 1 и корпуса, аналогичного
рассмотренному выше.
Техническая характеристика универсаль-
ного воздушного сепаратора А1-БДК-2,5 при-
ведена ниже.
Производительность (техническая),
т/ч;
выделение лузги и мучки из
продуктов шелушения риса .... 2
контроль крупы овса.......... 2,5
Эффективность извлечения лузги
при номинальной нагрузке в процессе
разделения продуктов шелушения ри-
са, %, не менее................... 85
Содержание полноценного продук-
та в относах осадочной камеры, %,
не более.......................... 2
Расход воздуха (в режиме комби-
нированного цикла), м3/ч, не более .... 600
Размеры пневмосепарарующего ка-
нала, мм
длинахширина................. 300x140
Диаметральный вентилятор:
диаметр ротора, мм........... 200
число лопаток ротора........ 29
частота вращения ротора, с'1 . . . 12,5
Шнек для вывода относов:
диаметр, мм.................. 150
частота вращения вала, с'1.. 2,5
Установленная мощность электро-
двигателя, кВт 1,1
Габаритные размеры, мм 700х 1 ЗООх 1860
Масса, кг...................... 600
СЕПАРИРОВАНИЕ ЗЕРНА И КРУПЯНЫХ КУЛЬТУР
181
Производительность на продуктах шелу-
шения овса ниже на 25%.
Факторы, влияющие на результаты
пневмосепарирования, объединяются в сле-
дующие четыре группы:
1) связанные со свойствами обрабатывае-
мого продукта - различие в аэродинамических
свойствах разделяемых компонентов; соотно-
шение массы тяжелого и легкого компонентов
в исходной смеси; средняя скорость воздушно-
го потока в рабочем канале;
2) связанные с условиями ввода продукта
в рабочий канал - скорость и угол ввода смеси
в рабочий канал; стабильность и равномер-
ность подачи смеси в зону сепарирования; сте-
пень предварительного расслоения смеси перед
подачей ее в рабочий канал;
3) связанные с конструкцией рабочего
канала - размеры канала; степень неравномер-
ности воздушного потока в поперечных сече-
ниях канала; удельная зерновая нагрузка;
4) чистота воздуха, поступающего в ра-
бочий канал для осуществления процесса сепа-
рирования.
Аэродинамические свойства продуктов
шелушения крупяных культур. Взаимное
расположение полученных на основе парусной
классификации частотных характеристик -
дифференциальных полигонов распределения
скоростей витания компонентов авит (рис. 5.23),
входящих в состав образцов продуктов шелу-
шения основных крупяных культур (ядро 1,
лузга 4, 5, дробленка 2, нешелушеные зерна 3,
семена сорных растений 9, зерна культурных
растений 10), показывает, что для всех культур
из продуктов шелушения наиболее эффективно
может быть отделена лузга. Другие компонен-
ты ввиду значительного совмещения полиго-
нов распределения скоростей витания между
собой и с полигонами для ядра не могут быть
эффективно разделены или отделены от основ-
ного компонента - ядра воздушным потоком.
Близость между собой полигонов распре-
деления скоростей витания соответственно
лузги и ядра разных крупяных культур, а также
размахов эмпирических распределений и сред-
невзвешенных скоростей витания позволяет
сделать вывод о том, что для выделения лузги в
рабочем канале можно устанавливать пример-
но одинаковые воздушные режимы, и поэтому
один и тот же воздушный сепаратор может
быть использован для различных культур.
Рис. 5.23. Полигоны распределения скоростей
витания vBIIT компонентов продуктов шелушения:
а - риса; б - гречихи; в - овса;
/ - ядро; 2 - дробленка; 3 - нешелушеные зерна;
4 - лузга; 5 - мелкая лузга; 6 - рудняк;
7 - колотое ядро; 8 - крупная лузга;
9 - семена сорных растений;
10 - зерна культурных растений
Аналитическая оценка эффективности
пневмосепарирования в вертикальном ра-
бочем канале. Сущность метода оценки эф-
фективности пневмосепарирования заключает-
ся в совместном анализе функций распределе-
ния скоростей витания легкого Фл(г?) и тяже-
лого Фт(^) компонентов, а также воздушного
потока Фп(^) в рабочем канале (рис. 5.24).
182
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
<P(V)
Рис. 5.24. Интегральные полигоны
распределения скоростей витания легкого
Фл (f), тяжелого Фт(^) компонентов и
воздушного потока Фп(^)
Коэффициент выделения легкого компо-
нента Г|л и степень уноса тяжелого компонента
\|/т:
п
Пл = £ Ф л )[ф П (.4) - фп (^-1)] ; (5-12)
п
^л =хфт(^)[фп (^)-фп КО] Л5.13)
/=1
где / = 1 - начало полигона распределения
Фп (^) ’ i = п - конец полигона; п - число
классовых промежутков Аг» в размахе эмпи-
рического распределения скорости воздушного
потока R = vn - ц .
Содержание тяжелого компонента zT в
легкой фракции (%), являющегося вторым по-
казателем эффективности процесса пневмо-
сепарирования после Г|л, определяется по фор-
муле
zT = -5Ь-100.
SVr + Пл
(5.14)
где 8 - отношение массы тяжелого компонента
к массе легкого компонента; 8 = тт /тл в
исходной смеси.
Метод ограничен допущениями, что в ра-
бочем канале расход тяжелого и легкого ком-
понентов через любое сечение зоны сепариро-
вания постоянен, а плотности распределения
на нем скоростей витания компонентов одина-
ковые. Несмотря на эти ограничения представ-
ленный метод учитывает главные факторы:
аэродинамические свойства разделяемых ком-
понентов, среднюю скорость воздушного пото-
ка в рабочем канале, степень неравномерности
потока и концентрацию примесей в смеси.
Оценка общего коэффициента извле-
чения примесей в гравитационных воздуш-
ных сепараторах. Схемы выделения примесей
в воздушных сепараторах с вертикальным ра-
бочим каналом показаны на рис. 5.25.
Выделение примесей в воздушном сепа-
раторе с ЗЦВ (рис. 5.25, а). При разделении
продуктов шелушения крупяных культур при-
месями, которые необходимо выделить из ис-
ходной смеси, являются лузга и мучка, пыле-
вые частицы органического происхождения.
Примем следующие обозначения: д0- количе-
ство (по массе) легких примесей, поступающих
в сепаратор за единицу времени; ди - количест-
во извлеченных примесей, т.е. осажденных в
осадочной камере; qy - количество примесей,
неосажденных в осадочной камере (унесенных
из нее воздухом); q3 - количество неосажден-
ных в осадочной камере примесей, захваченных
а)
б)
Рис. 5.25. Схемы выделения примесей
в воздушных сепараторах:
а - с ЗЦВ; б - с КЦВ; / - рабочий канал;
2 - транспортный канал; 3 - осадочная камера;
4 - рециркуляционный канал; 5 - диаметральный
вентилятор; 6 - приемно-распределительное
устройство; 7 - дросселирующая заслонка; 8 - шнек;
9 - канал отвода запыленного воздуха; 10 - канал
подвода чистого воздуха; // и 12- клапаны
СЕПАРИРОВАНИЕ ЗЕРНА И КРУПЯНЫХ КУЛЬТУР
183
очищенным продуктом; дув - количество не-
осажденных в осадочной камере примесей,
унесенных воздухом в рабочий канал; -
количество примесей, поступивших в рабочий
канал (<7ip =<7о)’ #2р _ количество приме-
сей, извлеченных в рабочем канале; <?оп -
количество примесей, оставшихся в очищен-
ном продукте.
Процесс выделения примесей в сепарато-
ре с ЗЦВ характеризуется коэффициентами:
Т|к извлечения примесей в рабочем канале;
Еос осаждения примесей в осадочной камере;
V3 захвата примесей очищенным продуктом:
П =12Р.е = Jkv =
Чк ’ Сос ’ v3
*71р #2р *7у
Для установившегося режима в сепарато-
ре с ЗЦВ общий коэффициент извлечения при-
месей, показывающий отношение количества
извлеченных примесей к количеству посту-
пивших с исходной смесью, определяется
формулой
Лк£ос
n3LlB -чк^ос (5 |5)
где в комплексе коэффициентов (1 —Еос)х
х(1-У3)т|к учтено, какая часть примесей
уносится воздухом на циркуляцию в следую-
щий цикл из предыдущего.
В воздушном сепараторе, работающем на
разомкнутом цикле воздуха (РЦВ) при £ос = 1
и V3=0 общий коэффициент извлечения
рт то
Г|ич равен коэффициенту извлечения приме-
сей в рабочем канале Т|к .
Таким образом, разница в общих коэф-
фициентах извлечения примесей в сепараторах
с РЦВ и ЗЦВ определяется главным образом
эффективностью осадочной камеры последнего.
Выделение примесей в воздушном сепа-
раторе с КЦВ (рис. 5.25, б). Уменьшение цир-
куляции легких примесей в сепараторе с КЦВ
осуществляется путем отвода в аспирационную
сеть небольшого количества наиболее загряз-
ненного воздуха и подачи в сепаратор такого
же количества чистого воздуха из помещения.
В сепараторе осуществляется комбинация ЗЦВ
и РЦВ.
В отличие от сепараторов с ЗЦВ в рас-
сматриваемом сепараторе с КЦВ из количества
примесей <7у > прошедших через вентилятор,
часть в количестве qa попадает в канал отвода
запыленного воздуха, а непопавшие в этот ка-
нал примеси в количестве поступают в
рециркуляционный канал. Отношение количе-
ства уловленных примесей qa к количеству
унесенных из осадочной камеры - коэф-
фициент улавливания \|/д легких примесей в
канале отвода запыленного воздуха,
=Яа/Яу •
Коэффициент захвата V3 для сепаратора
с КЦВ определяется как отношение количества
захваченных продуктом примесей к количеству
поступивших примесей в рециркуляционный
канал:
V3 = *7з/*7р ’
где q? =qy-qa.
С учетом коэффициента \|/а общий ко-
эффициент извлечения примесей в сепараторе
с КВЦ выражается формулой
КЦВ _ Лк [1 ~0 ~£ос)0 ~Уд)]
-l-(l-Eoc)(l-Vfl)(l-v3)nK '
(5.16)
При переводе сепаратора на ЗЦВ, когда
Va =0» формула (5.16) преобразуется в вид
(5.15), что упрощает расчет.
В связи с возрастающими требованиями к
экологическим, санитарным и энергетическим
показателям зерно перерабатывающих пред-
приятий все большее применение находят воз-
душные сепараторы с замкнутым и комбини-
рованным циклами воздуха.
5.4.2. СИТОВЫЕ И СИТО-ВОЗДУШНЫЕ
СЕПАРАТОРЫ
Среди сепарирующих машин широкое
распространение получили машины с колеба-
тельным движением ситовых (решетных) рабо-
чих органов. Сепарирующие корпуса этих ма-
шин опираются на станину с помощью упругих
связей (подвесок или стоек) или подвешивают-
ся на гибких нитях. Динамические системы
сепарирующих машин различают по форме и
периодичности колебаний рабочего органа,
соотношению частот вынужденных и собст-
184
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
венных колебаний, числу колеблющихся масс.
Колебательное движение рабочих органов оп-
ределяется следующими параметрами системы:
массой рабочего органа, жесткостью упругих
связей (подвесок, стоек, опор), внешними и
внутренними сопротивлениями, а также воз-
мущающей силой привода.
В зависимости от назначения сепарирую-
щей машины форма колебаний рабочего органа
может быть различной - прямолинейные коле-
бания, круговые и эллиптические колебания в
горизонтальной и вертикальной плоскостях.
В зависимости от соотношения частот
вынужденных и собственных колебаний дина-
мическая система может находиться в сле-
дующих режимах: дорезонансном, резонанс-
ном, зарезонансном.
Для привода в движение сепарирующих
корпусов применяют различные устройства
(рис. 5.26) [6]. Кинематически жесткие приво-
ды (рис. 5.26, а) имеют пневмосортировальный
стол ППС-2,5 [7], вибропневматические камне-
отборники А1-БКВ и Al-БКР, крупоотдели-
тельные машины и др. [7, 8].
Кинематический жесткий привод состоит
из эксцентрикового вала 7, установленного в
подшипниках 2, корпуса которых крепятся к
станине, и шатуна 3, шарнирно соединенного с
сепарирующим корпусом. В машинах с таким
приводом можно обеспечить заданную ампли-
туду колебаний сепарирующего корпуса при
изменении частоты колебаний, колеблющейся
массы и технологической нагрузки. В этом за-
ключается достоинство привода данного типа.
Недостатком является действие больших инер-
ционных сил на звенья.
Эксцентриковый колебатель (рис. 5.26, 6)
применяют для создания прямолинейного ко-
лебательного движения двух ситовых корпусов
в горизонтальной плоскости. Кронштейны 4
колебателя крепятся к ситовым корпусам, в
подшипниках нижнего кронштейна вращается
эксцентриковый вал 5. Вращение валу переда-
ется от электродвигателя через клиноременную
передачу. Амплитуда колебаний каждого корпуса
зависит от его массы, технологической нагруз-
ки и частоты колебаний. Такой привод приме-
нен в сепараторе ЗСП-10 [7] и использовался в
ряде ранее выпускаемых машин.
К другой группе приводных устройств от-
носятся инерционные колебатели. Колебатель
направленного действия (самобалансного типа)
состоит из двух дебалансов 6 и 9 (рис. 5.26, в),
вращающихся синхронно в противоположных
направлениях. Как показано на рисунке, враще-
ние дебалансов в противоположных направле-
ниях обеспечивают зубчатые колеса 7 и 8. Сум-
марная сила инерции обоих дебалансов всегда
действует вдоль линии колебаний корпуса, что
обеспечивается соответствующим расположе-
нием дебалансов, и в каждый момент времени
при установившемся движении уравновешивает
силу инерции сепарирующего корпуса. В на-
правлении, перпендикулярном линии колебаний
корпуса, силы инерции дебалансов уравновеши-
вают друг друга. В современных ситовых сепа-
раторах такой привод нашел достаточно широ-
кое применение [7, 8] и представляет собой два
моторвибратора, установленных на ситовом
корпусе. Двигатели моторвибраторов с распо-
ложенными на их валах дебалансами вращаются
в противоположных направлениях.
К колебателям направленного действия
относится маятниковый колебатель (рис. 5.26,
г), состоящий из дебаланса 10 и рычага 77,
который резиновым блок-шарниром с пальцем
12 прикреплен к сепарирующему корпусу ма-
шины. Рычаг 11 совершает очень небольшие
поворотные колебания относительно пальца
72, поэтому силу инерции дебаланса, дейст-
вующую в направлении оси ОА, можно считать
направленной вдоль среднего положения рыча-
га. Такие вибровозбудители используются в
оборудовании фирмы Бюлер (Швейцария) и
освоены отечественным машиностроением для
воспроизводимого оборудования мельзаводов.
Это такие машины, как вибропневматические
Рис. 5.26. Приводные устройства сепарирующих корпусов:
а - кинематически жесткий привод; б - эксцентиковый колебатель;
в - самобалансный колебатель; г - маятниковый колебатель; д - дебалансный колебатель
СЕПАРИРОВАНИЕ ЗЕРНА И КРУПЯНЫХ КУЛЬТУР
185
камнеотборники MTSA-100, MTSB-2xl00 и
РЗ-БКТ [7, 8], мельзаводов.
К инерционным колебателям ненаправ-
ленного действия относится дебалансный ко-
лебатель с горизонтальной или вертикальной
осью вращения (рис. 5.26, д). Он представляет
собой дебаланс 13, закрепленный на валу 14.
Центр масс дебаланса смещен относительно
оси вращения, вследствие чего при вращении
вала появляется неуравновешенная сила инер-
ции, вектор которой вращается относительно
той же оси с угловой скоростью вала. По этой
причине сепарирующий корпус движется по
круговой или эллиптической траектории в
вертикальной либо горизонтальной плоскости.
Амплитуда колебаний сепарирующих
корпусов в машинах с инерционными колебате-
лями зависит от соотношения частот вынужден-
ных и собственных колебаний, массы сепари-
рующих корпусов и технологической нагрузки.
При работе машины в зарезонансном режиме
обеспечивается устойчивое движение систе-
мы, малочувствительное к изменению загрузки
рабочего органа обрабатываемым продуктом.
Колеблющиеся корпуса соединяют со ста-
ниной через упругие связи, которые в зависимо-
сти от назначения машины различаются мате-
риалом, конструкцией, способом крепления,
видами деформации при работе, а в зависимо-
сти от выполняемой функции подразделяются
на основные, поддерживающие, приводные и
амортизационные. Основные упругие связи
определяют главным образом колебательный
режим системы. Поддерживающие связи удер-
живают сепарирующий корпус в заданном
положении, а приводные - соединяют колеб-
лющиеся массы с приводом. Амортизационные
связи, с помощью которых рама опирается на
основание, снижают динамические нагрузки на
фундамент или перекрытие здания. В машинах
для сепарирования зерна основные связи чаще
всего выполняют роль поддерживающих.
Упругие элементы характеризуют коэф-
фициентом жесткости. Они могут быть сгруп-
пированы как параллельно, так и последова-
тельно (рис. 5.27):
для параллельной группы суммарный ко-
эффициент жесткости равен сумме коэффици-
ентов жесткостей составляющих ее элементов
(рис. 5.27, а):
С — Q + С 2 + С3 +... + Сп ; (5.17)
для последовательной - коэффициент
суммарной податливости 1/С группы равен
сумме коэффициентов податливости входящих
в нее элементов (рис. 5.27. б):
1111 1
— —-1--1-г... н-. (5.18)
с с, с2 с3 с„
В сепарирующих машинах, совершаю-
щих направленные прямолинейные колебания,
применяют в основном кинематически жесткий
привод, эксцентриковый колебатель и инерци-
онный самобалансный колебатель.
Машины с кинематически жестким
приводом. Рабочий орган этих машин опира-
ется на равные по длине и параллельные между
собой упругие подвески или стойки.
Рассмотрим расчетную схему сепари-
рующей машины с приведенной массой М
сепарирующего органа (рис. 5.28). Прямоли-
нейные колебания рабочему органу сообщают-
ся аксиальным (е = 0) или деаксиальным кри-
вошипно-шатунным (эксцентриково-шатунным)
механизмом.
Приведенная масса сепарирующего органа
Л/ = Мсо +кМм,
где MCQ- масса сепарирующего органа с учетом
присоединенных масс упругих связей, элемен-
тов привода; к - коэффициент, показывающий,
какая часть обрабатываемого материала на
сепарирующем органе условно перемещается с
ним как одно целое; к = 0,1...0,25 [6]; Мм -
масса материала, находящегося на сепарирую-
щем органе.
Примем следующие обозначения: С -
суммарный коэффициент жесткости основных
упругих связей; Со - коэффициент жесткости
приводных упругих связей; ц - коэффициент
внутреннего сопротивления материала упругих
связей; АВ = г - радиус кривошипа (эксцен-
триситет механизма): ВС = L- длина шатуна.
Рис. 5.27. Группирование упругих элементов:
а - параллельное; б - последовательное
Рис. 5.28. Динамическая схема сепарирующей
машины с кинематически жестким приводом
186
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
Рис. 5.29. Кривошипно-шатунный привод:
а - аксиальный; б - дезаксиальный
Рассмотрит кинематику аксиального кри-
вошипно-шатунного привода (рис. 5.29). За
обобщенную координату принимаем угол по-
ворота кривошипа ф = СОГ, за начало отсчета -
положение кривошипа, соответствующее пра-
вому крайнему положению сепарирующего
органа. При вращении вала кривошипа точки
сепарирующего органа перемещаются по дуге
окружности с радиусом, равным длине подве-
сок. В сепарирующих машинах зерноперераба-
тывающих предприятий длина подвесок и ша-
туна во много раз превышает радиус г криво-
шипа, поэтому можно допустить, что все точки
рабочего органа имеют прямолинейные траек-
тории. Равная длина подвесок позволяет счи-
тать движение сепарирующего органа поступа-
тельным, а кинематику движения всех его то-
чек одинаковой.
Среднее положение рабочего органа со-
ответствует вертикальному расположению
кривошипа.
Перемещение, скорость и ускорение се-
парирующего органа в зависимости от угла ф
поворота кривошипа при постоянной угловой
скорости СО соответственно
х = г (1 -coscor) + —(l-cos2cor) ;
v = х = гео sin cor + —sin 2cor ;
I 2 J
a = x = rco2 (coscor + Xcos2cor),
где X = г/ L.
Сила инерции сепарирующего органа
Ри =Ма = A/rco2(coscor + Xcos2cor),
(5.19)
или
Ри — Pj + Рц ,
2
где Р\ = Mrco coscor - сила инерции первого
порядка; Рц = A/rco2Xcos2cor - сила инер-
ции второго порядка.
Для ориентировочных расчетов, не тре-
бующих большой точности, можно пользо-
ваться выражениями
х = r(l-coscor);
r? = x = rcosincor;
2
а - х = гео coscor.
Перемещение, скорость и ускорение се-
парирующего органа с дезаксильным криво-
шипно-шатунным приводом
171 7 2 1 е1
x-J(L + r) -е -L-\------1--------
7 2L 4
( е \ \
-г coscor-----sincor + — cos2cor ; (5.20)
I L 4 J
( . e X . A
v = x = rco sincor + — coscor + — sin2cor ;
I L 2 J
21 C? ।
a = x = rco coscor---sincor + Xcos2cor .
I L J
Силы инерции первого и второго порядка
Р, =M(02rnp cos(wr)np; (5.21)
Рц = yWco2rXcos2(oz,
е г ( \
где V = arctg— ; г =----; (сог) =СОГ + V .
L н cosv р
Силы инерции первого порядка поступа-
тельно движущихся масс, приводимых в дви-
жение аксиальными и дезаксиальными криво-
шипно-шатунными механизмами, определяют
по уравнениям (5.19) - (5.21), имеющим оди-
наковый структурный вид.
Для сепарирующих машин с кривошип-
, 1 I
но-шатунным приводом обычно к — —...— .
СЕПАРИРОВАНИЕ ЗЕРНА И КРУПЯНЫХ КУЛЬТУР
187
При указанных значениях учет —cos2cor в
уравнении (5.20) приводит при ограниченном
повышении точности к сложным вычислениям
перемещений сепарирующих органов, поэтому
для практических расчетов можно использо-
вать следующие выражения:
[7Г \2 2 т
х = J(L+ г) — е -L-\-----1---
7 2L 4
( е .
-г cosior ——sinior I; (5.22)
( . е А
г? = х = гсо sincor + — cos cor ;
I L J
2 Г e •
= x — rco coscor-sin cor .
k L J
Если приводной механизм и жесткость
приводных упругих связей Cq заменить воз-
мущающей силой F(r), создаваемой приво-
дом, то получим динамическую схему, которая
называется осциллятором. Собственная час-
тота осциллятора
Pl=Jc/M.
Амплитудное значение возмущающей
силы и угол сдвига фаз междух и F(t)
Рв с = г^(лУю2-С)2+ц2С2ю2;
При со = р[ = у]С/М имеет место ос-
цилляторный резонанс. Амплитудное значение
возмущающей силы Рв с становится мини-
мальным:
рв .с = r\ic^C/M.
Этот режим с точки зрения силового нагруже-
ния деталей приводного механизма является
наиболее благоприятным. Для обеспечения
такого режима при заданных СО и М суммар-
ный коэффициент жесткости основных упру-
гих связей
С| = М<о2.
Осцилляторная частота не является
резонансной частотой рассматриваемой систе-
мы, так как собственная частота системы зави-
сит также от жесткости приводных упругих
связей Cq , которая для кинематически жест-
кого привода стремится к бесконечности.
Мощность, потребная для преодоления
сопротивления материала упругих связей,
Nx =О,5цСсо2г2.
Мощность, потребная для преодоления
трения в подшипниках эксцентрика и эксцен-
трикового вала,
#2=(/а'+/а")сАо,
где Д' = £>7(2г) , А" = D/(2r) - соотноше-
ние приведенных диаметров беговых дорожек
подшипников эксцентрика [d j и эксцентри-
кового вала {d j и длины кривошипа; f и
f - приведенные коэффициенты трения в
подшипниках эксцентрика и эксцентрикового
вала.
Для шарикоподшипников /=0,001...
0,004, для роликоподшипников/=0,0025...0,01.
Мощность, потребная на привод в коле-
бательное движение рабочего органа машины,
W = 1,15(W1+W2)>
где 1,15 - коэффициент, учитывающий затраты
мощности на преодоление сопротивлений пе-
ремещению материала по сепарирующей по-
верхности.
При поступательном движении сепари-
рующих корпусов с кривошипно-шатунным
приводом развиваются значительные силы
инерции, которые передаются на станину ма-
шины и перекрытие здания. Силу инерции
сепарирующего органа с аксиальным криво-
шипно-шатунным приводом определяют по
уравнению (5.19).
Сила Р\ значительно больше Рп, так как
X всегда значительно меньше единицы, по-
этому при уравновешивании сил инерции по-
ступательно движущихся масс сепарирующего
корпуса обычно ограничиваются уравновеши-
ванием сил инерции первого порядка.
188
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
Рис. 5.30. Уравновешивание поступательно-двигающихся масс
кривошипно-шатунного механизма:
а - аксиального; б - дезаксиального
Практически уравновешивание осущест-
вляют путем установки на валу кривошипа
дебаланса т, центр масс которого расположен
на продолжении кривошипа с противополож-
ной стороны относительно оси вращения на
расстоянии гд (рис. 5.30).
т = Мг/ гд.
Центробежная сила инерции дебаланса
2
Р5 = WW Гд.
Ее горизонтальная составляющая равна
по величине и направлена противоположно
силе инерции первого порядка сепарирующего
корпуса, следовательно уравновешивает по-
следнюю:
2 2
Рх = ты гд coscor - Мы гсоъы! = Pj.
Вертикальная составляющая силы инер-
ции дебаланса
2
Ру = ты гд sin со/
будет вызывать колебания станины и фунда-
мента (перекрытия здания) в вертикальном
направлении.
Таким образом, при рассмотренном спо-
собе уравновешивания происходит как бы за-
мена горизонтальной силы инерции поступа-
тельно движущихся масс силой инерции,
Рис. 5.31. Динамическая схема сепарирующей
машины с эксцентриковым колебателем
направленной по вертикали. Чтобы избежать
больших неуравновешенных сил, действующих
в вертикальном направлении, поступательно
движущиеся массы уравновешивают не полно-
стью, а частично - обычно на 60...70 %.
Полное уравновешивание сил инерции
теоретически возможно. Однако конструктив-
ное выполнение такого уравновешивания
сложно и не нашло практического применения.
Силы инерции поступательно движущегося
сепарирующего корпуса с дезаксиальным кри-
вошипно-шатунным приводным механизмом
уравновешивают так же, как и корпуса с акси-
альным кривошипно-шатунным приводом.
Для уравновешивания сил инерции пер-
вого порядка (5.21) на валу устанавливают
дебаланс из условия равенства статических
моментов дебаланса и сепарирующего корпуса:
т = Мгпр1гл-
Таким образом, уравновешивание сил
инерции первого порядка поступательно дви-
жущегося сепарирующего корпуса с криво-
шипно-шатунным дезаксиальным приводным
механизмом можно рассматривать как уравно-
вешивание сил инерции корпуса с аксиальным
механизмом, кривошип которого гПр = r/cosv
повернут относительно действительного поло-
жения кривошипа на угол v = arctge/L в сто-
рону переноса ползуна с дезаксиальной на ак-
сиальную траекторию (рис. 5.30).
Машины с эксцентриковым колебате-
лем. На рис. 5.31 представлена динамическая
схема сепарирующей машины с двумя корпу-
сами, связь между которыми осуществляется с
помощью эксцентрикового колебателя. Каж-
дый корпус опирается на подвески, имеющие
одинаковую длину.
Принятые следующие обозначения:
и Л/в - приведенные массы соответственно
СЕПАРИРОВАНИЕ ЗЕРНА И КРУПЯНЫХ КУЛЬТУР
189
нижнего и верхнего сепарирующих корпусов,
совершающих прямолинейные колебания по
координате х; г - эксцентриситет; е - дезакси-
ал; L - длина шатуна; ф = COZ - угловое пере-
мещение эксцентрикового вала; (Х| и (Х2 -
коэффициенты пропорциональности соответ-
ственно для нижнего и верхнего корпусов,
учитывающие сопротивление окружающей
среды (воздуха); Щ и Ц2 - суммарные коэф-
фициенты внутреннего сопротивления мате-
риала упругих связей соответственно нижнего
и верхнего корпусов; Q и С2 - суммарные
коэффициенты жесткости упругих связей соот-
ветственно нижнего и верхнего корпусов.
При исследовании движения системы
принимают следующие допущения: отношение
эксцентриситета г к длине подвесок I мало,
поэтому вертикальными перемещениями мож-
но пренебречь; расположение приводного ме-
ханизма в вертикальной плоскости симметрии
корпусов исключает их угловые перемещения
относительно вертикальной оси. Указанные
допущения позволяют считать, что рассматри-
ваемая система имеет одну степень свободы.
За неподвижную систему отсчета принята
прямоугольная система координат с началом,
совмещенным с центром массы нижнего кор-
пуса, за обобщенную координату - линейное
перемещение х всей системы, за начало отсче-
та - положение центра масс нижнего корпуса
(точка 0) до начала движения.
Положение центра масс нижнего корпуса
определяется координатой Х|, а перемещение
верхнего корпуса - координатой х2. Заметим,
что корпусы сепарирующих машин с эксцен-
триковым колебателем совершают синхронные
колебания в противоположных направлениях,
поэтому абсолютное перемещение верхнего
корпуса
х2=*2,1-*Ь
где х2,1 ~ перемещение при движении верхне-
го корпуса относительно нижнего.
Перемещение верхнего корпуса относи-
тельно нижнего определяется как перемеще-
ние сепарирующего корпуса с дезаксиальным
кривошипно-шатунным механизмом по урав-
нению (5.22). Потенциальной энергией систе-
мы при ее перемещении, вызванном сокраще-
нием подвесок, пренебрегаем. В этом случае
потенциальная энергия системы равна потен-
циальной энергии связей. Считают, что неуп-
ругие сопротивления (сопротивление среды и
внутреннее трение в материале упругих связей)
подчиняются закону вязкого трения.
Принятые обозначения:
2 _ С\+С2
р мн+мв’
2n_al+HlQ+a2+H2C'2 .
Л/н + УИВ
вс2
а°~ мн+мв ’
B = J(L + r)2-e2-L + — + --
'/v ’ 2L 4
(ос2 4- В2^2 ) ^СО — Л/ в СО2Хв 4- С2^в
а =--------------------------;
мн+мв
Л/в 11)2f 4-(ot2 4-С2А*
°2“ Мн+Мв ’
ур2 - СО2 4-2иСОЯ2
Л =-------4---------;
(р2- со2) +4и2со2
(р2 - СО2 («2 -2ИСО0!
А2=~----------------•
(р2- со2) +4и2со2
Уравнение вынужденных колебаний
нижнего корпуса имеет вид:
Х[ — —— + у А2 + Л2 sin (со£ 4- \|/| ) ,
Р
где амплитуда колебаний
Лн - ^А2 + А2 -
со2
-----------12~Г------------------12
)«! 4-2иС0С?2 + (р2-СО2)с?2-2лСОЯ|
12
(р2-со2) +4п2<о2
190
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
угол сдвига фаз между перемещением точки А
кривошипа в направлении оси х и перемещени-
ем при вынужденных колебаниях нижнего
корпуса в том же направлении
А, (р2-(02)а2-2/10)а1
Vi = arctg—=- = arctg—----т----------.
Л1 (р - со + 2пом2
Уравнение вынужденных колебаний
верхнего корпуса имеет вид
х2 = В--^- + ^(А1 -ке)2 + (А2 + г)2 х
Р
xsin (ои + я +у2),
где амплитуда колебаний
Ав = (А - Хе)2 + (Л2 + ^)2 ;
угол сдвига фаз между перемещением точки А
кривошипа в направлении оси х и перемещени-
ем верхнего корпуса в том же направлении
( L\ СЛе-М^Хе
где v = arctg-; а, = -f---
Vе/ Мн
Мвсо2г-С2г
Мн + МВ
Таким образом, при отсутствии трения в
материале упругих связей и сопротивления
окружающей среды сепарирующие корпуса
получают максимальные перемещения в один
и тот же момент времени.
Амплитуды колебаний нижнего корпуса
Ан и верхнего Ав в этом случае могут быть
рассчитаны по уравнениям
(л/в<о2 - С2)7г2 +Х2е2
|С1+С2-(Мн+Мв)со2|’
(мH(J)2 - С| j-^r2 +Х2е2
|c1+c2-(mh+mb)<o2|
Если Ci=C2=C. а МН+МВ=МС, где
М с - масса колебательной системы, то
Угол показывает, что корпуса колеблются
в противофазе, а разность углов и у2
свидетельствует о том, что максимальные пе-
ремещения они получают в различные момен-
ты времени.
Если пренебречь силами сопротивления,
то уравнения вынужденных колебаний нижне-
го и верхнего корпусов имеют соответственно
вид:
/~2 2
Яс\ +а2 • ( \
*1 ----—sin(cot+v);
р р -о2
„ _ Д °0 4.
Х2 -й----~ +
Р
X
xsin(cor + y + 7c),
в
(л/ в(02 - С^г2 +Х2е2
|2С-Л/с<о2|
рИнсо2 - 2 + ~к2е2
2С-Мсш
При отсутствии дезаксиала
(л/в<02 -су
А : *1 тг ’
12С-Мсы21
2
(л/н<о2-су
\lC— Мсы2\
Машины с инерционным самобаланс-
ным колебателем. Расчетная динамическая
схема машины с инерционным самобалансным
колебателем приведена на рис. 5.32. Два не-
уравновешенных дебаланса 5 массой по 0,5 т
СЕПАРИРОВАНИЕ ЗЕРНА И КРУПЯНЫХ КУЛЬТУР
191
благодаря кинематической связи (зубчатым
колесам) вращаются в противоположные сто-
роны синхронно и противофазно. Горизон-
тальная результирующая центробежных сил
инерции дебалансов, изменяясь по синусои-
дальному закону, вызывает колебание сепари-
рующего органа в направлении линии ее дей-
ствия; в ветикальном направлении центробеж-
ные силы инерции дебалансов уравновешива-
ются. По этой причине колебатель получил
название колебателя направленного действия.
Сепарирующий корпус зерновых сепара-
торов чаще всего опирается на четыре верти-
кальные упругие подвески с защемленными
сверху и снизу концами или на резинометалли-
ческие опоры.
Рассмотрим систему, у которой равно-
действующая центробежных сил дебалансов и
равнодействующая упругих и диссипативных
сил, приложенных к сепарирующему корпусу,
все время проходят через центр масс системы.
Такая система называется центрированной.
Принятые обозначения: М - приведенная
масса сепарирующего корпуса, совершающая
прямолинейные колебания по координате х,
МВр - масса вращающихся частей колебателя
(без дебалансов), участвующих в движении
вместе с корпусом; 0,5 т - масса дебаланса;
Гд - расстояние от оси вращения до центра
масс дебаланса S; ф = ОМ - угловое переме-
щение дебаланса; С - суммарный коэффициент
жесткости упругих связей в направлении пере-
мещения х; Ц - суммарный коэффициент
внутреннего сопротивления материала упругих
связей; а - коэффициент пропорционально-
сти, учитывающий сопротивление окружаю-
щей среды (воздуха); М с = М +М вр + т -
масса колебательной системы.
За обобщенную координату принимаем
линейное перемещение х сепарирующего орга-
на, за начало отсчета - положение центра масс
корпуса (точка 0) до начала движения.
Вынужденные колебания системы могут
быть определены уравнением
х = -======^=====sin (coz - ф).
^р2-оз2) + 4и2оз2
Амплитуда вынужденных колебаний
Рис. 5.32. Динамическая схема сепарирующей
машины с инерционным самобалансным
колебателем
Угол сдвига фаз
2п 03
V = arctg—----
р -оз
9 С (а + цС) шглоз2
где р2=-----; 2п = ----—Ра=—-----------.
мс мс и мс
После подстановки значений п, р и Л)
получим
^(с-Л/ссо2) +(а+цС)2<о2
(а + цС)со
V = arctg------. (5.24)
С-Л/Ссо2
Амплитуда колебаний и угол сдвига фаз
ф являются функциями частоты возмущаю-
щей силы. При резонансе, когда
(О = р = ^С/М с . амплитуда достигает мак-
симального значения, а угол ф = я/2 .
В практических расчетах обычно не учи-
тывают диссипативные силы. В этом случае
установившийся режим вынужденных колеба-
ний определяется уравнением
р
х = - -—-- sinозг. (5.25)
р2 -оз2
Амплитуда вынужденных колебаний
А = г-^-
Ь2-(О2
(5.26)
192
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
р
При Р > (О и ——-—— > 0 уравнение
Р2-со2
(5.25) имеет вид
х = Asin cor.
В этом случае вынужденные колебания и
возмущающая сила находятся в одной фазе.
Это значит, что центры масс дебалансов и се-
парирующего корпуса перемещаются вдоль
оси х в одном направлении, достигая макси-
мальных значений в одно и то же время. Коле-
бания сепарирующего корпуса происходят в
дорезонансной области частот. При р < со и
Л)
р2 - со2
< 0 уравнение (5.25) имеет вид
х = Asin ((Of-я).
В этом случае вынужденные колебания и
возмущающая сила имеют противоположные
фазы. Это значит, что центры масс дебалансов
и сепарирующего корпуса перемещаются вдоль
оси х в противоположных направлениях, дос-
тигая максимальных значений со сдвигом фаз
на 180°.
После подстановки значений Pq и р в
уравнение (5.26) амплитуда вынужденных ко-
лебаний может быть определена по уравнению
2
\с~М Ссо2|
(5.27)
Рис. 533. Амплитудно-частотная характеристика
системы:
а - с учетом внутреннего сопротивления в материале
упругих связей и сопротивления среды;
б - без учета сопротивлений
Обычно сепарирующие машины работа-
ют в зарезонансном режиме. Считают, что ма-
шина находится в устойчивом режиме, когда
частота (О вынужденных колебаний системы
превышает частоту р собственных колебаний
более чем в 3-4 раза.
При разбеге и выбеге сепарирующих ма-
шин наблюдается резонансное явление. Мак-
симальные перемещения колеблющейся массы
при переходе системы через резонанс значи-
тельно превышают амплитуду колебаний при
установившемся движении. При этом на ста-
нину машины и перекрытие здания передаются
значительные переменные нагрузки, что часто
служит причиной поломок упругих связей и
других элементов конструкции. Поэтому важно
ограничить наибольшие перемещения рабочего
органа сепарирующей машины при прохожде-
нии через резонанс. Уменьшение амплитуды
колебаний при переходных режимах осуществ-
ляется различными способами. Это колебатели
с выдвижными дебалансами, колебатель с де-
балансом, свободно расположенным на валу,
при этом переход через резонансную частоту
колебаний происходит при незначительном
статическом моменте дебаланса [6]. Способ
уменьшения резонансных колебаний виброма-
шин при разбеге - двойной пуск. Уменьшение
резонансных амплитуд при выбеге возможно
путем применения способа торможения элек-
тродвигателем.
Мощность, потребная на преодоление
внутреннего сопротивления упругих связей
|Лотг2г2О)6
^1 =-т---------------------И'
2 ц2С2(о2+(С-Л7с(о2)
Мощность, потребная на преодоление сил
трения в подшипниках колебателя
N2= f х
тог (С-Л/Ссо2)
ц2С2со2 +(с-Л/с(о2)
где f - приведенный коэффициент трения в
подшипниках; А = —— ; D - диаметр беговой
дорожки подшипника.
СЕПАРИРОВАНИЕ ЗЕРНА И КРУПЯНЫХ КУЛЬТУР
193
Общая мощность без учета сопротивле-
ния окружающей среды
N = 1,15(1^+142).
Машины с маятниковым колебателем.
Расчетная динамическая схема машины с ма-
ятниковым колебателем в качестве возбудите-
ля колебаний рабочего органа показана на
рис. 5.34.
Введем обозначения: О - центр масс ра-
бочего органа, совершающего колебательное
движение; С - центр масс маятника; А - ось
вращения дебаланса; S - центр масс дебаланса;
М - приведенная масса рабочего органа; А/н,,
Л/р и т - масса соответственно маятника, ро-
тора электродвигателя и дебаланса; а - коэф-
фициент пропорциональности, учитывающий
сопротивление окружающей среды движению
рабочего органа в направлении оси х; Ц -
суммарный коэффициент внутренних сопро-
тивлений материала упругих связей; с - сум-
марный коэффициент жесткости упругих связей
в направлении оси х; гд - эксцентриситет деба-
ланса относительно оси вращения (точки А),
со - угловая скорость дебаланса.
Рассмотрим центрированную систему.
Это значит, что при среднем положении маят-
ника центр масс О рабочего органа, ось В шар-
нира, центр масс С маятника и ось А вращения
дебаланса лежат на одной прямой. Равнодейст-
вующие упругих и диссипативных сил, прило-
женных к рабочему органу, проходят через
центр масс корпуса и одна из главных осей
жесткости и главных осей сопротивления уп-
ругих связей рабочего органа с внешней средой
совпадают с прямой ОВСА.
В этом случае рабочий орган может со-
вершать только прямолинейные колебания в
направлении оси х. Для этого необходимо вы-
полнить следующие условия: упругая связь
маятника с рабочим органом должна быть с
малыми коэффициентами жесткости и внут-
реннего сопротивления материала; линия дей-
ствия диссипативной реакции внешней среды,
приложенной к маятнику, должна проходить
через ось вращения дебаланса; расстояние ме-
жду осью качания маятника и осью вращения
дебаланса должно устанавливаться в соответ-
ствии с равенством:
Рис. 5.34. Динамическая схема машины
с маятниковым колебателем
где /д - расстояние А В от оси шарнира маят-
ника до оси вращения дебаланса; Jм - момент
инерции маятника относительно оси качания;
ас - расстояние ВС от оси шарнира до центра
масс маятника.
Момент инерции маятника
J м — J м + М м 67? ,
м м м с ’
где Jм - центральный момент инерции маят-
ника.
Амплитуда колебаний рабочего органа
определяется по (5.23), где Л/с = М + Л/М +
+Л/р +т.
Угол сдвига фаз между положением де-
баланса и перемещением рабочего органа - в
направлении оси х по (5.24).
Если пренебречь сопротивлением окру-
жающей среды и внутренним сопротивлением
материала упругих связей, то А определяется
по (5.27).
5.4.3. ТРИЕРЫ
Триеры - машины для очистки зерна от
примесей, отличающихся от зерновок основ-
ной культуры длиной. Триерами из зерновой
смеси выделяют короткие (куколь, гречишка,
дробленое зерно) и длинные (овес, овсюг) при-
меси. Рабочие органы триеров - это ячеистые
поверхности с определенной формой и разме-
рами ячеек. По конструкции рабочих органов
триеры подразделяют на цилиндрические и
дисковые (рис. 5.35). В цилиндрических трие-
рах ячейки 1 образованы на внутренней по-
верхности цилиндра 2, вращающегося относи-
тельно горизонтальной оси; в дисковом триере
ячейки 1 расположены на торцовых поверхно-
стях группы дисков 2, набранных на горизон-
тальном валу.
7 — 8434
194
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
Рис. 535. Принцип действия триера:
а - цилиндрического; б - дискового;
1 - ячейки; 2 - цилиндр, диск; 3 - желоб
Принцип действия триеров обоих типов
заключается в вычерпывании карманообраз-
ными ячейками коротких частиц зерносмеси,
проходящей на ячеистой рабочей поверхности.
При вращении рабочего органа (ячеистой по-
верхности) короткие частицы зерносмеси ук-
ладываются в ячейки и выносятся ими из слоя
продукта на некоторую высоту, после чего
выпадают в специальные сборники 3 (лотки,
желоба) и выводятся из машины.
Длинные частицы, не помещаясь полно-
стью в ячейках, захваченые ими, выпадают на
значительно меньшей высоте (под сборником
короткой фракции) и попадают опять в слой
разделяемой зерносмеси, а после прохождения
вдоль ротора выводятся из триера сходом от-
дельно.
По технологическому назначению триеры
подразделяют на овсюгоотборники (для очист-
ки от овсюга - частиц более длинных, чем зерна
основной культуры) и куколеотборники (для
очистки от коротких частиц - куколя). Прин-
ципиальное отличие процессов сепарирования
в овсюгоотборниках и куколеотборниках за-
ключается в следующем. В овсюгоотборниках
в ячейки нападают зерна основной культуры
(пшеницы), как более короткие; ячеистая по-
верхность вычерпывает до 98% зерносмеси и
короткая фракция представляет собой очищен-
ное зерно, а сходом вдоль оси рабочей поверх-
ности (ротора) идет незначительная часть (до
2% исходного количества зерносмеси) приме-
сей. В куколеотборниках в ячейки попадают
короткие частицы куколя, содержание которых
в исходной зерносмеси невелико (до 2%), а
основной поток - длинная фракция (очищенное
зерно) получается сходом при движении вдоль
ротора. Это определяет различие требований к
устройствам для вывода из триеров сходовой
фракции.
Цилиндрические триеры. Зерновая
смесь, непрерывно поступающая во вращаю-
щийся цилиндр триера, образует в нижней час-
ти слой зерновок, из которого ячейки постоян-
но выносят короткие фракции. Длинные фрак-
ции непрерывно движутся вокруг ядра слоя.
Часть их силой трения увлекается на достаточ-
но большую высоту, и они выпадают на слой
зерен, в результате чего зерно перемешивается.
Иногда длинные зерна заносятся настолько
высоко, что попадают в зону выпадения корот-
кой фракции, ухудшая качество сепарирования.
Точное математическое описание процес-
са с учетом разнообразия форм и размеров
зерновок, ориентацией их в ячейках при выно-
се коротких фракций, отрыве от несущей ячеи-
стой поверхности под действием сил инерции,
трения и тяжести в зависимости от кинемати-
ческого режима и физико-механических
свойств очень сложное. Поэтому теоретиче-
ские предпосылки процесса рассмотрены с
рядом допущений, позволяющих, однако, дос-
таточно точно характеризовать действитель-
ный процесс и получить необходимые данные
для расчета и конструирования триеров [9, 10].
Движение зерновой смеси внутри вра-
щающегося цилиндра можно подразделить на
следующие стадии:
относительный покой зерновой смеси
(движение зерна вместе с цилиндром);
относительное движение зерна;
свободное движение зерна после отрыва
от несущей поверхности.
При этом следует учитывать, что условия
движения зерновок в ячейках и зерновок, не
попавших в ячейки, различные.
Предельная частота вращения ячеистого
цилиндра. Значение угловой скорости (Отах,
при котором зерновка будет постоянно двигать-
ся с поверхностью цилиндра без скольжения,
определяют, рассматривая наивысшее положе-
ние частицы в цилиндре (рис. 5.36). Частица
может оторваться от поверхности цилиндра,
Рис. 5.36. К определению предельной частоты
вращения цилиндра триера
СЕПАРИРОВАНИЕ ЗЕРНА И КРУПЯНЫХ КУЛЬТУР
195
если сила, прижимающая к поверхности, равна
нулю:
mwi2R -mg - 0.
Отсюда
^max ~
Рабочую угловую скорость цилиндра
принимают:
в тихоходных триерах
сот = (0,2...0,3)сотах ;
в быстроходных
w6 = (0,7...0,9)(Omax .
Движение зерна, не попавшего в ячейку,
по несущей триерной поверхности. В цилиндре
триера радиуса R (рис. 5.37), вращающемся с
постоянной угловой скоростью (О, изолиро-
ванная зерновка находится под действием сил:
2
тяжести G = mg , инерции Ри = /лсо R, нор-
мальной реакции W и трения F = fN.
Угол 0С|, соответствующий началу отно-
сительного скольжения зерна вниз по вращаю-
щемуся цилиндру, определяется из условия
F = fN = fmy^R + g cos cq ) = mg sin cq :
cq = ф+arcsin
co 7? .
------sinip ,
g
(5.28)
где ф - угол трения зерновок.
Частоту вращения цилиндра, соответст-
вующую началу скольжения зерновок, можно
получить из выражения
n_30 gsin(at -ф)
п у rsintp
Угол «2, соответствующий моменту от-
рыва частицы, вращающейся вместе с цилин-
дром без проскальзывания, определяют при
условии
2
N = тю /? + /ngcosa2 =0
из уравнения
У
4J
Рис. 537. Схема сил, действующих на зерновку,
к определению условий: относительного покоя,
скольжения и отрыва от несущей поверхности
цилиндрического триера
а2
(5.29)
Из сравнения формул (5.28) и (5.29) вид-
но, что (Х| = a 2 только в случае, если
ф = я/2, что практически невозможно. В дей-
ствительности всегда ф < л/2 и cq < a2.
Очевидно, что для сохранения состояния
относительного покоя зерновок на большем
угле поворота выражение (ti2R/g=K должно
быть большим - это показатель кинематиче-
ского режима.
Как отмечено выше, относительное дви-
жение зерновок по цилиндру начинается всегда
раньше, чем они смогут оторваться от поверх-
ности цилиндра. Однако аналитическое опре-
деление угла отрыва при относительном
скольжении частицы представляет определен-
ную трудность, и удобнее воспользоваться
опытными данными. Поэтому в практике кон-
струирования для расчетов первого приближе-
ния при определении угла отрыва пользуются
формулой (5.29) без учета относительного
скольжения частицы.
Движение зерна, попавшего в ячейку, по
несущей триерной поверхности. Положение
несущей стенки ячейки определяют углом 8
между несущей стенкой и радиусом цилиндра
(рис. 5.38). Этот угол по значению не изменя-
ется во времени, а зависит от формы и ориен-
тации штампованных ячеек на триерной по-
верхности.
Угол выпадения зерновки из ячейки оп-
ределяют из выражения
7*
196
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
а = —+(p+8 + arcsin ------cos((p+8) .
(5.30)
В современных цилиндрических триерах
со штампованными ячейками угол 8 близок к
нулю, в связи с чем выражение принимает бо-
лее простой вид
Я
а = —+(p+arcsin
CD2/?
-----COS(p .
g
(5.31)
Этими выражениями можно воспользо-
ваться для определения угла выпадения зер-
новки из ячейки, рассчитывая положение же-
лоба для вывода мелких фракций.
Если рассмотреть возможность выпадения
частиц из ячеек при неподвижном цилиндре, то
Рис. 538. Схема сил, действующих на зерновку,
расположенную в ячейке цилиндрического триера
АА
1
Рис. 539. Схема сил, действующих на зерновку,
к определению условий выпадения ее из ячейки
дискового триера
можно легко установить, что необходимым
условием будет
ф>р,
где (р - угол трения зерновки в состоянии
покоя.
Угол Р зависит от ориентации несущей
кромки и ее положения, определяемого а. Во
вращающемся цилиндре благодаря действию
на частицы центробежных сил инерции пере-
носного движения, выпадение частиц всегда
будет определяться большим углом а, чем в
неподвижном цилиндре, что и следует из вы-
ражения (5.31).
Дисковые триеры. Процесс сепарирова-
ния зерновой смеси в дисковом триере, где
короткие фракции выбирают при помощи дис-
ков с ячейками, расположенными по концен-
трическим окружностям, отличен от процесса в
цилиндрическом триере. Рабочий орган диско-
вого триера - блок дисков, смонтированных на
горизонтальном валу, заключен в корпус. За-
полнение ячеек зернами (рис. 5.39) происходит
в основном в квадранте / и частично в квадран-
те IV. Часть длинных зерен также попадают в
ячейки, однако в виду неустойчивого равнове-
сия они выпадают в квадранте //. Короткие
частицы в ячейках перемещаются до квадранта
///, где меняется ориентация ячейки, и при по-
вороте на некоторый угол а частицы выпада-
ют из ячеек на лоток для вывода короткой
фракции. Так как ячейки расположены на кон-
центрических окружностях, то углы выпадения
зерновок разные для каждой окружности.
На зерновку, находящуюся в ячейке, по-
ложение которой определено радиусом-
вектором R, действуют следующие силы: сила
2
инерции переносного движения Рп = т(й R,
сила тяжести G = mg и силы трения F\ и
соответственно о боковую и направляющую
поверхности ячейки. Силу тяжести в плоскости
диска раскладываем на нормальную
Gn = rag cos а и касательную Gx = mg sin а
составляющие. В зависимости от соотношения
сил Рп и Gn зерновка будет прижиматься к
внутренней Рп < Gn или наружной Рп > Gn
боковой поверхности ячейки. Выпадение зер-
новки происходит в плоскости АА, перпенди-
кулярной к плоскости диска, где на зерновку
действуют следующие силы:
СЕПАРИРОВАНИЕ ЗЕРНА И КРУПЯНЫХ КУЛЬТУР
197
Т = GT cos Р = mg sin a cos Р - состав-
ляющая силы тяжести, выталкивающая части-
цу из ячейки;
Fj = fm^xpR-gcosaj - сила трения о
наружную боковую поверхность ячейки, когда
со2/? > gcosa;
Fj = /m^gcosa —(02/?j - силатрения о
внутреннюю боковую поверхность ячейки,
когда со R < g cos a ;
F2 = fmg sin a sin P - сила трения о на-
правляющую поверхность ячейки;
W = Gx sinP = mg sinasinP - сила
нормального давления.
Равновесие зерновки в ячейке сохраняет-
ся до тех пор, пока выполняется условие
F| + F2 = Т, и зависит от расположения ячеек,
определяемого радиусом R, и кинематического
режима работы триера К = (j^r/g . В совре-
менных дисковых триерах режим работы та-
ков, что ячейки, расположенные ближе к оси
вращения, подчиняются условию К < cosa , а
ячейки, удаленные к периферии, - условию
К > cosa .
Записывая условие равновесия частицы в
общем виде, т.е. принимая силу трения
Fj = +fm{ti)2R- geos а), после подстановки
/ = tgcp и K-^R/g и преобразований,
получаем
±(F -cosa) = sinacos(<p + P)/sin<p.
Из этого выражения можно определить
как углы выпадения зерновок ав , так и угло-
вую скорость триерного диска с учетом задан-
ных или выбранных из конструктивных сооб-
ражений углов выпадения.
Угол выпадения зерновки
aB = ±p + arccos(Fcosp), (5.32)
где
cos(<p+B)
p = arctg -------- .
sin ф
При К > cosa в формуле (5.32) следует
брать знак «+» и соответственно при
К < cosa - «-». При К = 1 формула (5.32)
приобретает вид ав=р±р, т.е. ав=0,
ав = 2р . При сравнительно высоких скоро-
стях ( К = 1) угол ав =0 маловероятен, по-
этому реальным будет второе значение
«в = 2Р •
Высокая угловая скорость задерживает
выпадение зерновок из ячеек. Значение ее мо-
жет быть таким, что зерновки совсем не будут
выпадать из ячеек. Предельную частоту вра-
щения диска определяют по выражению
зо g
"ПР - _ J о
R 1 /Хтах
sinaR ,
----—cos (ф+р) + cos a в
8Шф
где 7?тах - максимальный радиус диска.
В современных серийно выпускаемых
триерах частота вращения дисков составляет
50...55 мин1. Угол выпадения коротких фрак-
ций выбирают в пределах ав = 32...45°.
С уменьшением угла трения ф, т.е. с
уменьшением коэффициента трения зерновки в
ячейке, достигаемым высоким качеством обра-
ботки ее внутренней поверхности, при выбран-
ном значении угла ав возрастает частота
вращения дисков. С увеличением частоты вра-
щения дисков повышается производительность
триера.
Зерновки, выпадающие из ячеек, попада-
ют в приемный лоток для коротких фракций,
угол установки у которого должен обеспечи-
вать надежное их транспортирование и вывод
из машины. Это условие выполняется при
У>Ф1>
где ф1 - угол трения зерновки о приемный
лоток.
Площадь ячеистой поверхности триера
(м2) определяют по формуле
где Q - производительность триера, кг/ч; q -
удельная производительность, кг/(ч м2).
В табл. 5.6 приведена удельная произво-
дительность 1 м2 триерной поверхности при
различных операциях очистки зерна.
198
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
5.6. Производительность 1 м2 триерной
поверхности, кг/ч
Очищаемая культура Триер
цилинд- рический дисковый
Пшеница от коротких примесей (куколя и др.) 750...850 800...900
Пшеница от длинных примесей (овсюга и др.) 550...650 600...700
Овес от коротких при- месей (куколя, вики и др.) 650...700 -
Гречиха от коротких или длинных примесей (овса, ржи, вики) 650...750 -
Разделение продуктов шелушения овса 500...600 450...550
Отбор ломаных зерен из обработанного риса 700...750 -
Контроль 01 ходов ку- колеотборников 300 -
Контроль отходов ов- сюгоотборников 200 -
Число ячеек в 1 м2 триерной поверхности
можно определить по формуле Г.Т. Павловского:
X = а/dn , (5.33)
где А - опытный коэффициент; п - показатель
степени; d - диаметр ячейки, мм.
В табл. 5.7 приведены значения А и п в
зависимости от диаметра d ячейки.
5.7. Значения величин в расчетной формуле (5.33)
Ячейки d А п
Штампованные 2,5...12,0 4,30-105 1,8
Фрезерованные 1,5...5,5 4,62-105 1,65
6,0... 12,0 5,39-106 1,8
5.4.4. ВИБРОПНЕВМАТИЧЕСКИЙ
КАМНЕОТБОРНИК
Явления, происходящие в аэрируемом по-
токе зерновой смеси на вибрирующей шерохо-
ватой поверхности деки, совершающей возврат-
но-поступательные колебания, весьма сложные.
Это объясняется многочисленными связями
движущихся частиц, которые взаимодействуют
друг с другом, с воздушным потоком и с по-
верхностями, ограничивающими поток.
Целесообразно представить исследуемый
процесс в упрощенном виде, условно разделив
его на несколько стадий, в каждой из которых
можно выделить для рассмотрения те явления,
которые оказывают решающее влияние на ин-
тересующие конечные результаты процесса
или на условия протекания последующих ста-
дий. В то же время каждую стадию процесса
следует схематизировать с целью математиче-
ского описания модели и выявления методики
ее экспериментальной проверки.
Процесс извлечения тяжелой (минераль-
ной) частицы из аэрируемой зерновой массы в
вибропневматических машинах с наклонными
гармоническими колебаниями в плоскости
наибольшего ската деки состоит из двух ос-
новных стадий I и II (рис. 5.40).
На стадии / тяжелая минеральная части-
ца, поступившая в очередной порции зерновой
смеси сверху на слой движущейся сыпучей
среды, перемещается вместе с ним вниз вдоль
деки, одновременно вследствие погружения
приближаясь к ее поверхности. Определяется
средняя минимально допустимая скорость по-
гружения vn тяжелой частицы:
vn=(H-h)vH_h/L, (5.34)
где Н - толщина зернового слоя над порогом;
h - высота порога в нижней части рабочего
органа; Н — h - толщина слоя зернового пото-
ка над порогом.
Число ячей на одной стороне диска мож-
но приближенно определить по формуле
_ re(f>2 - J2)
4(1+bf
где D - наружный диаметр диска, мм; d -
внутренний диаметр диска, мм; / - размер сто-
роны ячейки, мм; b - ширина перемычки меж-
ду ячеями, мм.
Рис. 5.40. Общая схема процесса
вибропневматического сепарирования
СЕПАРИРОВАНИЕ ЗЕРНА И КРУПЯНЫХ КУЛЬТУР
199
гн_л=0,5(^+г2);
- скорость верхнего слоя зерна из экспери-
мента; - скорость среднего слоя зерна из
эксперимента.
На стадии 11 частица движется по поверх-
ности деки вверх навстречу основному зерно-
вому потоку до тех пор, пока не выйдет через
верхнее суженное выпускное отверстие. При
этом тяжелая частица проходит две зоны, ниж-
нюю и верхнюю, общей границей которых
является место поступления на деку исходной
смеси. Определяется скорость транспортиро-
вания vT тяжелой частицы. Схема сил, дейст-
вующих на материальную частицу в условиях
динамического равновесия при вибропнев-
матическом сепарировании, представлена на
рис. 5.41.
Теоретические исследования процесса
вибропневматического транспортирования по-
зволили получить формулу для определения
средней скорости тяжелой частицы по шерохо-
ватой поверхности в следующем виде:
(5.35)
где
cos(y-p±p.)
--------------» (5.36)
R - амплитуда колебаний деки; п - число коле-
баний деки; В - коэффициент, определяющий
направление средней скорости частицы;
г /Л5
В=-^-=ак-2’5 =—(5.37)
Si v2’5
5|, _ перемещения частицы соответствен-
но вниз и вверх за цикл;
к
£ = Я---
(5.38)
х
b = g sin(gTP) у
1,2 (О2Я cos(y-Р±ц)
1 _ р sin(g±0) ± и cos и
sin(HTP) sin(p.=FP)
; (5.39)
Рис. 5.41. Схема сил, действующих на материаль-
ную частицу в условиях динамического равнове-
сия при вибропневматическом сепарировании
Z>2 V
к = — = —
Ь\ а
(5.40)
где Р - коэффициент влияния воздушного по-
тока.
Условие, обеспечивающее одновремен-
ное транспортирование тяжелых и легких (ин-
декс «л») частиц в противоположных направ-
лениях, записывается в следующем виде:
Вл < 1 < Вт ;
(5.41)
Если В >1, то транспортирование час-
тицы происходит вверх; если В = 1, то транс-
портирование отсутствует, т.е. частица колеб-
лется на деке относительно одной какой-либо
точки; если В < 1, то транспортирование про-
исходит вниз.
Коэффициент В является сложной транс-
цендентной функцией всех параметров. Нам
удалось заменить эту сложную функцию про-
стой (5.37) с относительной погрешностью
менее 3%.
Используя равенство (5.37), формулу
(5.41) можно записать в следующем виде:
*л3’5
V2’5
Жт5
(5.42)
ctg(X-P) । t
а = А2 = cos(y-p-g) = /
Al cos(y-p+n) ctg(y-p)
f
(5.43)
Как видно из выражений (5.42) и (5.43),
различие в коэффициентах ал и ат может
быть обусловлено только различием в коэффи-
200
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
циентах трения (углы у и Р для обеих частиц
одинаковые). Выполнению неравенства (5.41)
благоприятствует случай /л < fT , так как с
уменьшением коэффициента трения увеличи-
вается ctg(y-(3)// , а следовательно, умень-
шается значение коэффициента а. Усиление
неравенства (5.41) произойдет и с увеличением
1|/л по сравнению с 1|/т. Это может быть дос-
тигнуто двумя путями:
уменьшением коэффициента трения лег-
кой частицы /л сравнению с /т;
увеличением Хл по сравнению с Хт.
Для увеличения коэффициента X при
и = 0 следует увеличить значение коэффици-
ента влияния воздушного потока Р:
sin (ц + Р) - Р sin (|Д - Т|0) - и cos |1
sin(|i-P)- Psin(|i + 0) + ucos|i
(5.44)
sinft —Ц
cosP- Р
Здесь А) 2, 2, я, \|/, X - безразмерные
коэффициенты, упрощающие анализ и расчет
процесса; у - угол наклона плоскости колеба-
ний к горизонтали;
(1,36/2 +i)tgp
Р — угол наклона плоскости к горизонтали;
tg р = tg У-; (5.46)
О) /?cosy
|T = arctg/ - угол трения; f - коэффициент
трения частицы о деку; Q — полная реакция
деки, отклоненная от нормали к ее поверхности
на угол трения |Д; 0 - угол наклона реакции
восходящего потока воздуха Рв от вертикали;
р
Р — —— — коэффициент влияния воздушного
/ng
потока; Рв - реакция воздушного потока;
U
и =---- - коэффициент влияния смежных
Mg
частиц; U - реакция смежных частиц; т - мас-
2
са частицы; Рл=мо) Rsina — сила инерции
в переносном движении, а = О)/ — фазовый
угол; Ро = nix - сила инерции в относитель-
ном движении.
Формула (5.25) получена для условия
безотрывного движения частицы при режиме
двустороннего движения без пауз.
Экспериментальные исследования пока-
зали, что скорость транспортирования тяжелых
(минеральных) частиц в верхней выходной
зоне рабочего канала в тонком слое практиче-
ски не зависит от воздушного режима Р = 0
(при изменении скорости воздушного потока
V от 0 до 2,4 м/с) и от реакции смежных час-
тиц; U —0.
Для верхней зоны, характеризующейся
малой толщиной слоя, зависимость коэффици-
ента влияния воздушного потока Р от средней
скорости восходящего воздушного потока для
зерна пшеницы при 0<г><2,4 м/с удовле-
творительно аппроксимируется формулой
Р = 0,02г?"5.
Методика расчета основных парамет-
ров вибропневматического камнеотборника.
Исходя из теоретических предпосылок, можно
предположить, что вибропневматический кам-
неотборник пригоден не только для извлечения
из зерновой смеси равновеликих трудноотде-
лимых минеральных примесей, но и для разде-
ления сыпучей смеси на две фракции, частицы
которых отличаются коэффициентом трения по
опорной поверхности и коэффициентом влия-
ния воздушного потока. Оба коэффициента для
каждого из компонентов смеси могут быть
определены опытным путем либо рассчитаны
аналитически. Экспериментально должна быть
определена средняя скорость погружения тяже-
лых частиц через слой основного сыпучего тела.
Методика расчета приведена на примере ма-
шины для подработки отходов основных машин при
следующих заданных условиях:
номинальная производительность по исходной
зерновой смеси Q = 300 кг/ч;
номинальная концентрация тяжелого компо-
нента (минеральных примесей, равновеликих зерну
основной культуры пшеницы) Кт = 0,2 ;
средние плотности компонентов зерна ул =
-1,3 мг/см^ при насыпной плотности 780...
800 кг/см\ минеральных примесей ут =2,6 г/смч;
СЕПАРИРОВАНИЕ ЗЕРНА И КРУПЯНЫХ КУЛЬТУР
201
средний коэффициент динамического трения
по деке /л = /т = 0,6.
1. Задаемся интенсивностью колебаний деки.
<о2яД = 2,5.
2. Решая совместно два уравнения (5.45) и
(5.46), определяем значения углов плоскости колеба-
ний к горизонтали у и наклона деки к горизонтали
Р. Найденные углы соответствуют безотрывному
движению частиц с двумя мгновенными остановками
при условии В=\, т.е. когда частица колеблется
относительно одной какой-либо точки.
На рис. 5.42 это решение представлено графи-
чески; точка С пересечения кривой 1 по уравнению
(5.45) при f = 0,6 и кривой 2 по уравнению (5.46)
при о)2я/# =2,5 имеет координаты р=11°30' и
у = 34°30'.
Однако при этих значениях углов Р и у дейст-
вие воздушного потока на частицы тяжелого компо-
нента вызвало бы ее подбрасывание, а уменьшение
коэффициента трения по сравнению со средним
значением привело бы ее к транспортированию вниз,
что по технологии недопустимо. Все это приводит к
уменьшению угла наклона плоскости колебаний у и
угла р. Поэтому принимаем у = 30° и р = 9° (на
рисунке точка отмечена звездочкой).
3. Определяем допустимое значение коэффи-
циента воздействия воздушного потока на тяжелую
частицу по условию безотрывного движения:
о ю2/? / о\
Рт < cos Р------sin (у - Р);
8
Рт <cos9° -2,5sin21° = 0,988-2,5 0,358 ;
Рис. 5.42. Зависимости угла наклона
плоскости колебаний к горизонтали у
от угла наклона деки к горизонтали р
при Р = 0
X
ctg(y-p)
0,158
2,6
= 0,0607.
Проведя соответствующее построение на гра-
X
фике (рис. 5.43) на шкале ---------, соединяем
ctg(y-g)
соответствующую точку с полюсом 0 лучом, пересе-
чение которого с кривой дает ординату X/ f =0,31 ,
откуда определим предельное значение/(построение
показано штриховыми линиями), f > 0,56.
Аналогичное построение для случая Р = 0
дает f > 0,52.
Рт <0,1.
4. Определяем предельное значение коэффи-
циента трения, при котором частица не транспорти-
руется вниз. Для этой цели вычисляем параметр X:
sinp
cos р - Р
0,156
0,988-0,1
= 0,175 при Р = 0,1;
л 0,156
Х =------= 0,158 при Р = 0.
0,988
X
Параметр---------- вычисляем:
ctg(y-P)
при Р=0,1
X 0,175 0,175
---------=—:-----=------=0,0673;
ctg(Y-p) ctg21° 2,6
Рис. 5.43 График для определения
коэффициента трения частиц в динамике,
зависимость X/ f от ctg(Y-₽)//
202
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
Графоаналитическое определение предельного
значения коэффициента трения может быть заменено
расчетом по уравнениям:
при Р = 0,1
________tgp_______=
Jtg(y-p)l,36| 1—~ I
J ( cosp)
' 0Д58 л _
----------т-------г = 0,57;
0,384 1,3611—— 1
I 0,988 I
при Р = О
0,158
----------= 0,55 .
0,384 1,36
5. Определяем значение коэффициента воз-
душного потока для легкой частицы Ря, обеспечи-
вающего транспортирование вниз частиц легкого
компонента.
Согласно формуле (5.43) имеем:
Рис. 5.44. Зависимости коэффициента влияния
воздушного потока Р от средней скорости
восходящего воздушного потока VB
для зерна пшеницы
ctg(y-P) 2,6 ,
Л _ 0.6__________
ctg(y-P) t 2,6 t
A 0,6
Из неравенства (5 42) получаем
откуда
.89-
0,6 (1,б14 + 1)
= 0,17.
6. Для определения средней скорости воздуш-
ного потока над декой необходимо иметь зависимость
Р(^в ) ’ которая Д™ зерен пшеницы представлена на
рис. 5.44. Ориентируясь на нагрузку Q = 4,4 кг/мин,
что соответствует удельной нагрузке на 1 см ширины
канала </в = 0,36 кг/(сммин), выбираем среднюю
скорость воздушного потока vB = 1,6... 1,8 м/с, при
которой обеспечивается необходимое значе-
ние Рл = 0,17 .
7. Определяем скорость транспортирования
частиц тяжелого компонента (минеральной примеси)
в верхней зоне, где
2
X = 30°; Р = 9°; ц = 31°; = 2,5;и = 0; Рт = 0.
g
Расчет сведен в табл. 5.8.
5.8. Результаты расчета скорости
траиспортироваиия частиц тяжелого компоиеита
Номер формулы в тексте Расчетная формула Результат расчета
1 2 3
(5.43) COS(у-р- ц) cos(y - р + ц) 1,6
(5.44) sin(n + p) V = . , при sin (д-р) Р = 0; и = 0 1,72
СЕПАРИРОВАНИЕ ЗЕРНА И КРУПЯНЫХ КУЛЬТУР
203
Продолжение табл. 5.8
1 2 3
(5.40) >1 « II 1,075
(5.38) к е = я к+1 1,63
(5.39) , _ g sin (g -Р) со2/? cos(y-P + n) 0,243
(5.36) cos(y-P + g) А1 - cosg 0,727
(5.37), (5.38), (5.43) f Я В = а 1 + ( tge-e) 1,35
(5.35) Rn z Л е А VT =Л1 (1-Я) 1 Х 30 (tg£ ) X-Jsin2 £-(sbx )2 0,00733Яп
Задаемся п = 650 мин4, । „ ^8 СО = 68,5 с ; /? = - со2 0,52 см
2,5 см/с
8. Определяем необходимую ширину отвер-
стия в верхней части деки для выхода частиц тяжело-
го компонента:
вт=^
vTmr
где Qp = 300 кг/ч = 5 кг/мин = 83 г/с — проекти-
руемая производительность машины по исходной
смеси; кт =0,2 — концентрация тяжелого компо-
нента в исходной смеси; тТ =0,8 г/см2 — масса
тяжелого компонента при однослойном движении на
1 см2 декл;
83 0,2
Вт =---------= 8,3 см.
2,5 0,8
9. Определяем площадь и основные размеры
рабочего канала (деки) из условия получения наи-
большей скорости транспортирования тяжелой час-
тицы вверх по деке под слоем зерна. В эксперимен-
тальной установке ширина канала деки Вх = 0,12 м,
длина L3 =0,65 м, площадь F3 =0,078 м2. Наи-
большая скорость транспортирования тяжелой час-
тицы vT = 6 см/с при vB =1,8 м/с, Ап =15 мм и
нагрузке Q3 = 3 кг/мин.
Сохраняя в проектируемой машине те же
удельные нагрузки, что и в экспериментальной уста-
новке, имеем размеры одного рабочего органа (деки):
площадь
Fn = — F, = —0,078 = 0,13 м2;
Р G, 3
ширина
Вр =— В| р е. 5 = -0,12 = 0,2 м; 3
длина
L _5l рч 0,13 = = 0,65 м. 0,2
10. Проверяем рабочую длину канала по усло-
виям погружения тяжелой частицы (первая стадия
процесса).
Как установлено экспериментально при неиз-
менных и, /?, р, у основным фактором, определяю-
щим толщину слоя продукта на деке, является высо-
та порога hn. Для выбранной hn = 15 мм средняя
толщина слоя в динамике при изменении нагрузки от
1,7 до 3,8 кг/мин увеличивается от 25 до 29 мм. При-
нимаем с запасом Н = 30 мм.
Определяем среднюю минимально допусти-
мую скорость погружения тяжелой частицы [1]. Для
этого находим скорость слоев над порогом:
vx 0,13 + 0,020
vH_h —------=--------------= 0,075 м/с,
2 2
где v। - скорость верхнего слоя из эксперимента;
vx =0,13 м/с (рис. 5.45); v2 - скорость среднего
слоя зерна, равная 0,020 м/с; Н -h - толщина слоя
над порогом.
Рис. 5.45. Зависимость средней скорости v3
транспортирования зерна от высоты порога hn .
204
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
Тогда скорость погружения
(0,03 -0,015) 0,075
Vn ~ 0,65
= 0,0017 м/с = 1,7 мм/с.
Из эксперимента определено, что действитель-
ная скорость погружения минеральной частицы су-
щественно больше 1,7 мм/с. Так, при изменении на-
грузки от 3,8 до 5,1 кг/мин ( vR = 1,4 м/с, hn = 15 мм)
скорость погружения тяжелой частицы ниже уровня
порога происходит за время в 2,5-3 раза меньшее,
чем время достижения ею нижнего конца рабочего
канала.
Учитывая возможность изменения в широком
диапазоне нагрузки и состава очищаемой зерновой
массы (концентрация и плотность тяжелого компо-
нента), а также возможность использования проекти-
руемой машины в качестве анализатора зерна на
засоренность минеральными примесями, принимаем
длину от места подачи до порога (нижней зоны)
L = 0,7 м, а общую длину рабочего канала деки
Lo = 0,9 м при ширине канала В = 0,2 м и выходном
отверстии для минеральных примесей в верхней
части деки Въ = 0,08 м.
Таким образом были получены основные па-
раметры вновь созданной машины вибропневматиче-
ского камнеотборника, техническая характеристика и
технологическая схема которого представлены ниже.
Экспериментальный образец вибро-
пневматического камнеотборника. Рабочий
процесс в вибропневматическом камнеотбор-
нике протекает следующем образом. Исходная
зерновая смесь, состоящая из зерна и мине-
ральных примесей, поступает через бункер и
питающий лоток на сортирующую поверхность
деки. А под действием направленных вибраций
и восходящего воздушного потока резко уве-
личивается разность в физико-механических
свойствах (плотность, коэффициент трения,
скорость витания и др.) компонентов исходной
смеси. Зерно приобретает свойство текучести и
плывет по деке в нижнюю часть, а минераль-
ные примеси, достигнув поверхности деки,
транспортируются по ней в верхнюю ее часть.
Происходит избирательное транспортирование
частиц в противоположных направлениях.
Техническая характеристика приведена ниже.
Производительность кг/ч....... 300
Общая мощность электродвигате-
лей, кВт...................... 1,54
Расход воздуха, м3/ч.......... 900... 1200
Частота колебаний деки, мин 1 . . . 650
Амплитуда колебаний деки, мм . . 5,5
Угол наклона, °:
плоскости колебаний к гори-
зонтали .................... 30
плоскости деки к горизонтали ..
Средняя скорость воздуха над
декой, м/с .
Размеры рабочего канала, мм
(длинахширинахвысота)....
Габаритные размеры камнеот-
борника, мм (длинахширинах
хвысотас бункером)........
Масса, кг.................
5...15
1,4...1,8
900x200x100
1300x500x1900
. . 350
Машина состоит из трех основных узлов
(рис. 5.46) питающею устройства, вибрацион-
ной и пневматической групп.
Питающее устройство включает бункер
7, вибролоток 2 и привод 3. Смесь зерна и ми-
неральных примесей поступает из бункера 7 на
вибролоток 2, который совершает возвратно-
поступательные колебания, передаваемые ему
электродвигателем через механизм. Виброло-
ток установлен на четырех плоских пружинах,
отклоненных от вертикали на 10°. Количество
поступающего продукта регулируется измене-
нием зазора между дном лотка и обрезом ци-
линдрической манжеты.
Вибрационная группа состоит из сорти-
рующего устройства 4 и привода 5. Сорти-
рующее устройство (дека) представляет собой
канал прямоугольной формы, который может
поворачиваться относительно горизонтальной
плоскости. Сортирующая поверхность (дека)
покрыта плетеной сеткой с размерами ячеек
0,7x1,0 мм при толщине проволоки 0,9 мм. В
верхней суженной части канала установлен
резиновый клапан, а в нижней - регулируемый
порог. Сортирующее устройство крепится к
неподвижной станине на четырех плоских
пружинах под углом 30° к горизонтали. Дека
приводится в возвратно-поступательное дви-
жение электродвигателем через клиноремен-
ную передачу и синусный механизм.
Пневматическая группа имеет вентилятор
6, гибкий рукав 7, переходной патрубок 8 и
аспирационный колпак 9.
Засасываемый из помещения воздух по-
дается вентилятором 6 под деку. Для равно-
мерного распределения воздушного потока по
всей площади сортирующей поверхности под
ней установлено выравнивающее устройство,
состоящее из двух соединенных между собой
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СЫРЬЯ И ПОЛУФАБРИКАТОВ
205
Рис. 5.46. Технологическая схема вибропневматического камнеотборника
сит: пробивного диаметром 3 мм и капроново-
го № 10. Количество подаваемого воздуха ре-
гулируется заслонкой, установленной на пат-
рубке вентилятора. Для очистки поступающей
смеси от пыли предусмотрена аспирация места
подачи зерна.
5.5. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ
ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СЫРЬЯ И
ПОЛУФАБРИКАТОВ
На пищевых предприятиях транспортные
устройства обеспечивают перемещение штуч-
ных, насыпных (сыпучих), наливных (жидких
и вязких) грузов.
Применение тех или иных средств для
передвижения сырья и полуфабрикатов зависит
от характера и состояния транспортируемого
груза, производительности транспортных и
погрузочно-разгрузочных операций, расстоя-
ния между пунктами передачи и их взаимного
расположения, конструктивных особенностей
производственных помещений и др.
5.5.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ТРАНСПОРТНОГО
ОБОРУДОВАНИЯ
Транспортное оборудование для пере-
движения сырья и полуфабрикатов разделяет-
ся на оборудование непрерывного и периоди-
ческого действия. В первом случае осуществ-
ляется непрерывное перемещение груза, а во
втором - периодическая подача груза с оста-
новками для его загрузки и разгрузки.
К транспортному оборудованию непре-
рывного действия относятся:
ленточные конвейеры - горизонтальные,
наклонные и комбинированные, с прорезинен-
ной, стальной цельнопрокатной или проволоч-
ной лентой;
цепные конвейеры - стационарные и вы-
движные;
ленточно-цепные конвейеры - с одной и
двумя пластинчатыми цепями;
пластинчатые, лотковые, чашечные и
прутковые конвейеры;
скребковые конвейеры - с одной и двумя
цепями;
винтовые (шнековые) конвейеры - гори-
зонтальные, наклонные и вертикальные, с од-
но- и многоходовым винтом, со сплошным,
ленточным и лопастным винтом;
роликовые конвейеры - приводные и не-
приводные, однорядные и многорядные, пря-
мые и спиральные;
троссовые конвейеры;
гидравлические конвейеры;
элеваторы - люлечные, ковшовые, фрик-
ционные, спиральные, полочные;
206
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
пневматический и аэрозольный транс-
порт, аэрожелоба;
самотечные транспортные устройства -
спусковые желоба, каскадные и винтовые
спуски, самотечные трубы;
склизы - гладкие и роликовые;
насосы и насосные установки - центро-
бежные, плунжерные, поршневые, шестерен-
ные, мембранные, шланговые, струйные, пла-
стинчатые, самовсасывающие.
К транспортному оборудованию перио-
дического действия относятся:
ручные тележки - двух-, трех- и четырех-
колесные;
вагонетки;
электрокары;
штабелеукладчики;
фрикционные лебедки - одинарные и
двойные;
грузовые лифты - с верхней и нижней
приводной станцией;
краны - консольные и полноповоротные;
электростали.
5.5.2. НАСОСЫ ДЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ
ЖИДКИХ И ВЯЗКИХ ПРОДУКТОВ
Для перемещения жидких и вязких про-
дуктов используются насосы различных конст-
рукций с учетом свойств перекачиваемого про-
дукта. Механизация производственных процес-
сов связана с использованием насосов в преде-
лах производственного помещения и на погру-
зочно-разгрузочных площадках, для перекачи-
вания продуктов из одной емкости в другую,
для передвижения продуктов через аппараты в
технологических линиях их обработки.
Рис. 5.47. Схемы плунжерного и
поршневого насосов:
а - насос простого действия;
б - насос двойного действия
К основным параметрам насоса относят-
ся: подача, напор, мощность и КПД.
В пищевой промышленности широко
применяются объемные и центробежные насо-
сы. К объемным насосам относятся поршневые
и роторные. Поршневые насосы бывают про-
стого (одинарного) и двойного действия. В тех
случаях, когда у поршневых насосов поршень
заменен плунжером, их называют плунжерны-
ми насосами. К поршневым насосам простого
действия относятся также диафрагменные на-
сосы. К роторным насосам относятся шесте-
ренные, с вращающимися поршнями, пластин-
чатые и винтовые. Шестеренные насосы быва-
ют с наружным и внутренним зацеплением.
Винтовые насосы подразделяются на одновин-
товые, двухвинтовые и трехвинтовые.
Центробежные насосы по конструкции
рабочего колеса делят на лопастные (бездиско-
вые) и дисковые, а по числу рабочих колес - на
одноступенчатые и многоступенчатые.
Объемные насосы. В насосах объемного
действия подача жидкости осуществляется за
счет вытеснения ее рабочим органом.
Плунжерные насосы. В тех случаях, ко-
гда необходимо создать очень высокое давле-
ние, например, в гомогенизаторах, распыли-
тельных сушилках применяются плунжерные
насосы.
Принципиальное устройство плунжерного
насоса простого действия показано на рис. 5.47.
Насос состоит из цилиндра 4, плужнера /, што-
ка 5, всасывающего 2 и нагнетательного клапа-
на 3, шатуна 6 и кривошипа 7. Шток совершает
возвратно-поступательное движение. При ходе
плунжера вправо в рабочей камере создается
разрежение и жидкость под действием атмо-
сферного давления проходит через всасываю-
щий клапан 2 и заполняет рабочую камеру. При
движении плунжера налево всасывающий кла-
пан закрывается, плунжер давит на находящую-
ся в рабочей камере жидкость и она через кла-
пан 3 вытесняется в нагнетательный трубопро-
вод. Для более равномерной подачи жидкости
применяют двух- и трехцилиндровые насосы.
Плунжерные насосы применяют для пе-
рекачивания сахарнььх и карамельных сиропов,
крахмального молока, сгущенного молока,
высокожирных сливок и других вязких продук-
тов. Техническая характеристика плунжерных
насосов, применяемых для перекачивания вяз-
ких молочных продуктов, приведена в табл. 5.9.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СЫРЬЯ И ПОЛУФАБРИКАТОВ
207
5.9. Техническая характеристика
плунжерных насосов
Параметры
Подача, дм3/ч
100 400 1000 2500
Давление, кПа 25000 1600
Ход плунжера, мм
Диаметр плунже-
ра, мм
Число ходов
плунжера в 1 мин
Мощность элек-
тродвигателя, кВт
Масса, кг
0...60
20 40
100
3,0 1,1
168 103
1000
60
2,2
132
1000
100
3,0
227
Рис. 5.48. Диафрагменный насос
Поршневые насосы. Принцип работы
поршневых насосов такой же, как и плунжер-
ных. В насосах простого действия для подачи
жидкости используется только один ход порш-
ня, так как во время второго хода осуществля-
ется всасывание.
В отличие от насосов простого действия
поршневые насосы двойного действия имеют
две рабочие камеры - всасывающую 8 и нагне-
тательную 9. У них один цилиндр 4 с переме-
щающимся в нем поршнем 1. Каждая камера
насоса снабжена всасывающим 2 и нагнета-
тельным 3 клапанами. Шток 5 соединен с шату-
ном 6 и кривошипно-шатунным механизмом 7.
Поршневые насосы применяют для пере-
качивания сусла, вин, соков овощных и фрук-
товых пюре и других продуктов. Техническая
характеристика поршневых насосов для пере-
качивания мезги, дрожжевой гущи и других
вязких жидкостей приведена в табл. 5.10.
Диафрагменные насосы (мембранные).
Диафрагменные насосы применяют для пере-
качивания высоковязких продуктов нежной
консистенции, например кисломолочных про-
дуктов. Диафрагма насоса изготовена из рези-
ны, прорезиненной ткани или пластического
полимерного материала с малой жесткостью
при изгибе. Диафрагменный насос (рис. 5.48)
состоит из рабочей камеры, клапанной коробки
2 с всасывающим 1 и нагнетательным 3 клапа-
нами; крышки 4, диафрагмы 5, поршня 6 и
кривошипно-шатунного механизма 7. Диа-
фрагма посредством дисков крепится к порш-
ню и через кривошипно-шатунный механизм
совершает возвратно-поступательное движе-
ние, осуществляя тем самым всасывание и на-
гнетание жидкости.
Техническая характеристика диафраг-
менных насосов, применяемых для перекачи-
вания творожного сгустка, высокожирных сли-
вок и других вязких продуктов, приведена в
табл. 5.11.
5.10. Техническая характеристика
поршневых насосов
Параметры Подача*, т/ч
20 32 30 50 12 17 10 13
Давление, кПа 150 150 150 150
Диаметр поршня, мм - - 160 160
Мощность электро- двигателя, кВт 3,0 4,0 2,2 1,8
Масса, кг 400 - 305 190
* В числителе подача для мезги, в знаменателе -
для сусла.
5.11. Техническая характеристика
диафрагменных насосов
Параметры Подача, дм3/ч
500 5000
Давление, кПа 250 200
Число двойных ходов мембраны в 1 мин 8 60
Ход мембраны, мм 24 30
Ваккумметрическая высота вса- сывания, м вод.ст. 3 5
Мощность электродвигателя, кВт 0,4 2,8
Масса, кг 65 212
208
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
Рис. 5.49. Схемы роторных насосов:
а - шестеренный насос с внешним зацеплением;
б - шестеренный насос с внутренним зацеплением;
в - насос с вращающимися поршнями;
г - пластинчатый насос; д - винтовой насос;
1 - корпус; 2 - всасывайщий патрубок;
3 - нагнетательный патрубок; 4 - ротор;
5 - замыкатель; 6 - серповидный вкладыш;
7 - пластина
против часовой стрелки. Когда зубья шестерен
выходят из зацепления, создается разрежение и
происходит всасывание жидкости в корпус.
Шестерни захватывают поступившую жид-
кость и перемещают ее в направлении их вра-
щения. Когда зубья вновь входят в зацепление
в области нагнетательного патрубка, жидкость,
находящаяся в полостях между зубьями и
стенками корпуса, вытесняется в нагнетатель-
ный трубопровод. Для наибольшей компактно-
сти число зубьев шестерен обычно бывает
8... 12. Шестерни изготовляют с прямыми, ко-
сыми или шевронными зубьями.
Шестеренные насосы с внутренним за-
цеплением (рис. 5.49, б) более компактны, чем
описанные выше, однако устройство их слож-
нее, поэтому они реже применяются. Шесте-
ренный насос с внутренним зацеплением со-
стоит из корпуса 1 и пары шестерен, располо-
женных одна в другой. Шестерни разделены
неподвижным серповидным вкладышем 6,
предотвращающим обратное движение жидко-
сти с нагнетательной стороны во всасываю-
щую, и облегчает сборку насоса.
При работе насоса ротор 4 вращается и
приводит в движение внутреннее колесо - за-
мыкатель 5. В это время жидкость из всасы-
вающего патрубка 2 поступает в пространство
между зубьями шестерен и перемещается ими
к нагнетательному патрубку. При зацеплении
шестерен жидкость выдавливается входящими
в зацепление зубьями в нагнетательный патру-
бок 3.
Шестеренные насосы применяют для пе-
рекачивания овощных пюре, патоки, сиропа,
фруктово-ягодных начинок, растительных ма-
сел, дрожжей и др. Техническая характеристика
шестеренных насосов приведена в табл. 5.12.
Шестеренные насосы. Принцип работы
этих насосов основан на вытеснении жидкости
из рабочей камеры при одновременном дейст-
вии на нее статора, ротора и замыкателя.
Шестеренные насосы с внешним зацеп-
лением широко распространены (рис. 5.49, а).
Такой насос состоит из корпуса 1 с всасываю-
щим 2 и нагнетательным 3 патрубками и двух
шестерен: шестерня-ротор 4 связан с рабочим
валом и получает вращение от электродвигате-
ля; свободная шестерня-замыкатель 5 приво-
дится в движение зубьями ротора.
Работает насос следующим образом. Ро-
тор 4, вращаясь по часовой стрелке, передает
движение замыкателю 5, который вращается
5.12. Техническая характеристика
шестеренных насосов
Параметры Зацепление шестерен
внутреннее внешнее
Подача, дм3/ч 200...2000 10000
Давление, кПа 200 200
Частота вращения веду- щей шестерни, с'1 15,5 15,9
Мощность электродви- гателя, кВт Ы 3
Масса, кг 33,5 127
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СЫРЬЯ И ПОЛУФАБРИКАТОВ
209
Насосы с вращающимися поршнями
(рис. 5.49, в) называют также коловратными.
Ротор 4 и замыкатель 5, выполненные в виде
поршней секторной формы, размещены в кор-
пусе 1. Поршни вращаются в направлениях,
показанных стрелками, поочередно захватыва-
ют жидкость, поступающую через всасываю-
щий патрубок 2, переносят ее на нагнетатель-
ную сторону и выталкивают в нагнетательный
патрубок 3. Оба поршня приводятся в движе-
ние самостоятельно, поэтому каждый из них
является ротором и в то же время замыкателем.
Насосы этого типа применяют для перекачива-
ния пивных дрожжей, пива, овощных пюре,
фруктовых соков, меда, конфитюров и других
пищевых продуктов. Техническая характери-
стика насосов с вращающимися поршнями
приведена в табл. 5.13.
Пластинчатые насосы. Основными час-
тями пластинчатых насосов (рис. 5.49, г) явля-
ются корпус 7, ротор 4 и пластины-замыка-
тели 7. В корпусе насоса эксцентрично распо-
ложен ротор, выполненный в виде цилиндра,
на боковой поверхности которого имеются
радиальные пазы с находящимися в них пла-
стинами. Последние прижимаются к корпусу
центробежной силой и могут легко переме-
щаться в пазах ротора. В пластинчатых насосах
других конструкций пластины прижимаются к
корпусу пружинами или давлением жидкости,
подводимой со стороны оси насоса. Во время
работы насоса на всасывающей стороне обра-
зуется вакуум и перекачиваемая жидкость,
поступающая через всасывающий патрубок 2,
заполняет пространство между соответствую-
щими пластинами. Четыре пластины создают
необходимое давление на жидкость и вытес-
няют ее в нагнетательный патрубок 3.
Пластинчатые насосы применяют для пе-
рекачивания мезги, дрожжей, патоки, жома и
других пищевых продуктов. Насосы этого ти-
па, предназначенные для перекачивания мезги,
имеют производительность 10... 15 м3/ч, давление
5.13. Техническая характеристика
насосов с вращающимися поршнями
Параметры Подача, дм3/ч
1800 2000 10000
Давление, кПа 600 1600 600
Частота вращения 1,6 0,6 2,3
ротора, с 1
Высота всасыва- 5 5 5
ния, м вод.ст.
Мощность элек- 0,35 3,8 2,5
тродвигателя, кВ г
Масса, кг 245 680 642
60 кПа, диаметр ротора 218 мм, частоту вра-
щения ротора 2... 3 с 1.
Винтовые насосы. У одновинтового на-
соса (рис. 5.49, 0) винт-ротор 4 вращается в
обойме-замыкателе 5, внутренняя полость ко-
торого представляет собой также винтовую
поверхность. Ротор с замыкателем размещены
в корпусе 7. Перекачиваемая жидкость через
всасывающий патрубок 2 поступает в полости,
образованные обоймой и нарезками винта,
перемещается вдоль оси в сторону камеры на-
гнетания и подается в нагнетательный патру-
бок 3.
Винтовые насосы применяются для пере-
качивания мезги, дрожжей, сусла, виномате-
риалов, вин, хмелевой и солодовой дробины,
патоки, морковной массы, яблочного жмыха,
сливок, творожного сгустка и др. Техническая
характеристика винтовых насосов, применяе-
мых для перекачивания вязких молочных про-
дуктов, приведена в табл. 5.14.
Центробежные насосы. Работа центро-
бежного насоса основана на том, что при вра-
щении рабочее колесо сообщает жидкости ско-
рость, которая преобразуется в потенциальную
энергию давления.
5.14. Техническая характеристика винтовых насосов
Параметры Подача, дм3/ч
400... 800 1420...2950 2250...4600 8000 10000
Давление, кПа 200 200 200 200 500
Частота вращения винта насоса, с'1 8,8...13,8 27...33 9...14 27,5 25
Диаметр условного прохода патрубков, мм 50 50 50 50 50
Мощность электродвигателя, кВт 1,5 1,1 1.5 1,1 2,5
Масса, кг 105 60 105 105 125
210
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
Рис. 5.50. Центробежные насосы:
а - лопастной без диска;
б - дисковый одноступенчатый
Лопастные насосы (рис. 5.50, а) состоят
из корпуса 2, в котором имеется лопасть 7,
установленная на валу. Жидкость поступает в
корпус насоса через отверстие 3 в центре кор-
пуса (крышки), захватывается лопастью и от-
брасывается центробежной силой к периферии
и попадает в нагнетательный патрубок 4.
Дисковые насосы. В дисковом односту-
пенчатом насосе (рис. 5.50, б) перекачиваемая
жидкость через всасывающее отверстие 4 по-
ступает в рабочее колесо 2, и двигаясь по кана-
лам, образованным лопастями 3, отбрасывается
центробежной силой к периферии внутренней
поверхности корпуса 1 и поступает в нагнета-
тельный патрубок 5.
Центробежные насосы используются для
транспортирования маловязких жидких пище-
вых продуктов: пива, сусла, соков, вина, суспен-
зий сахарного производства, свекольно-водяной
смеси, пахты, сыворотки, молока цельного и
обезжиренного и др. Техническая характери-
стика центробежных насосов, применяемых
для перекачивания молочных и других жидких
пищевых продуктов, приведена в табл. 5.15.
Расчетные зависимости. Поршневые и
плунжерные насосы. Подача поршневых и
плунжерных насосов определяется по одним и
тем же уравнениям. Производительность
поршневого насоса простого действия, кг/ч,
Q = 3600F5npr|o,
где F - площадь поршня, F = Я Л 2/4, м2;
D - диаметр поршня, м; 5 - длина хода поршня,
м; п - частота вращения колеса кривошипно-
шатунного механизма, мин р - плотность
перекачиваемого продукта, кг/м3; Г|о - объем-
ный КПД.
Объемный КПД в зависимости от подачи
насосов принимает следующие значения.
Подача насоса, т/ч . . 1.. .30 30.. .300
Объемный КПД
насоса........... 0,85...0,90 0,90...0,99
Подача насоса двойного действия, кг/ч,
(2 = 3600(2F-/)5npT|o.
где/- площадь сечения штока поршня, м2.
Диафрагменные насосы. Подача диа-
фрагменного насоса с одним рабочим органом,
кг/ч,
2 = 3600^мрТ|1Г|2 ’
где q - объем камеры насоса, м3; п - число
двойных ходов диафрагмы, дв.ход/с'1; Г|| -
коэффициент наполнения; для сиропа и сливок
ГЦ ~ 0,75...0,8, для воды Т|| « 0,9 ; Г|2 “
коэффициент выталкивания; Г|2 ~ 0,96 .
Объем камеры насоса, м3,
q = Fh,
где F - площадь диска, к которому крепится
диафрагма, м2; h - ход диска, м.
Подача диафрагменного насоса с двумя
рабочими органами, кг/ч,
Q = 2-3600<7ртцп2 •
5.15. Техническая характеристика центробежных насосов
Показатели Подача, дм 7ч
6300 10000 12000 25000 50000
Давление, кПа 125 200 100 315 315
Частота вращения рабочего колеса, с-1 47 48 47 48 49
Мощность электродвигателя, кВт 0,8 1,5 1,1 5,5 10
КПД, % 55 50 30 55 60
Допустимая высота всасывания, м 5 5 4 5 4
ОБОРУДОВАНИЕДЛЯТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СЫРЬЯ И ПОЛУФАБРИКАТОВ
211
Шестеренные насосы. Подача шестерен-
ного насоса с внешним зацеплением, кг/ч,
Q = zfbnpr\0,
где z - число зубьев,/- площадь сечения зуба,
м2; Ъ - ширина зуба, м; п - частота вращения
шестерни, с'1; Т|о ~ 0,7...0,9 .
У шестеренных насосов с внутренним за-
цеплением ротор и замыкатель имеют разное
число зубьев. Подача шестеренных насосов с
внутренним зацеплением, кг/ч,
Q = 36OOfb(zini + z2n2)px]0,
где Z\ и Z2 ~ количество зубьев у шестерен;
и п2 - частота вращения шестерен, с1.
Насосы с вращающимися поршнями. По-
дача насоса с двумя вращающимися поршнями,
каждый из которых имеет две лопасти, кг/ч,
Q = 43600VA7ip,
где V - объем камеры поршня, м3; К - объем-
ный коэффициент, учитывающий полноту за-
полнения камеры и перепуск перекачиваемого
продукта; п - частота вращения поршня, с1.
Пластинчатые насосы. Подача пластин-
чатого (шиберного) насоса, кг/ч,
Q = 7200/ме(яР - 5z) рт| о ’
где / - длина ротора, м; п - частота вращения
ротора, с1; е - относительное смещение ротора
в цилиндре, м; D - внутренний диаметр цилин-
дра, м; 5 - толщина пластин, м; z - число пла-
стин; Г|о = 0,8...0,95.
Винтовые насосы. Подача одновинтового
насоса, кг/ч,
Q = 14400D7enpT|o ,
где D - диаметр сечения винта, м; I - шаг
обоймы, м; е - величина эксцентриситета, м; п -
частота вращения винта, с-1; Г|о = 0,65...0,9 .
Центробежные насосы. Подача центро-
бежного насоса, кг/ч,
Q = 3600£?j (я£>! -8z)^ipr|o’
или
Q = 3600^2 (nD2 - 5z)^2Prlo ’
где и b2 - ширина рабочего колеса соот-
ветственно на внутренней и внешней его ок-
ружностях, м; Dj и D2 - соответственно
внутренний и наружный диаметры рабочего
колеса, м; 5 - толщина лопаток колеса, м;
Z - число лопаток в рабочем колесе; Vj и v2 -
скорость движения жидкости соответственно
на внутренней и внешней сторонах диска рабо-
чего колеса, м/с; Т|о = 0,5.. .0,8 .
Подача центробежных насосов (м3/с) оп-
ределяется по формуле
Q-Kd1,
где К - эмпирический коэффициент, учиты-
вающий скорость движения жидкости в нагне-
тательном патрубке; К = 1 ...1,5 для насосов
с диаметром нагнетательного патрубка d <
< 100 мм.
Напор (м вод.ст), создаваемый центро-
бежными насосами, приближенно определяет-
ся по формуле
где ф - коэффициент напора; ф - 0,8...0,9;
v - окружная скорость рабочего колеса, м/с;
v = TtDn ; D - диаметр рабочего колеса, м; п -
частота вращения рабочего колеса, с'1.
Мощность, необходимая для работы на-
соса, кВт,
yv = ewp£
1000г| ’
(5.47)
где Q - объемная производительность насоса,
м3/с; Н - напор, создаваемый насосом, м; Г| -
полный КПД насоса; Г| = ЛмЛоЛг » Лм’ Ло’
Г|г - соответственно механический, объемный
и гидравлический КПД насоса.
В случае возникновения перегрузок элек-
тродвигателя вводят коэффициент запаса мощ-
ности р, который умножают на величину по-
требляемой мощности, полученной по формуле
(5.47). В зависимости от N (в кВт) коэффици-
ент р принимает следующие значения.
N....... < 1 1...5 5...50 50
р....... 1,5...2 1,5...1,2 1,2...1,15 1,1
212
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
5.5.3. ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ТРУБОПРОВОДНЫЙ
И АЭРОЗОЛЬНЫЙ ТРАНСПОРТ
Применение пневматического транс-
порта для перемещения сыпучих грузов и
волокнистых материалов по сложным трас-
сам. Транспортирование осуществляется по
трубам небольшого диаметра, которые нетруд-
но разместить в стесненных условиях произ-
водственного предприятия. Кроме того, про-
цесс перемещения сыпучих грузов можно со-
вместить с некоторыми технологическими
процессами производства.
Основой работы пневмотранспортной ус-
тановки является наличие разности давлений в
начале и конце материалопровода.. В зависимо-
сти от способа создания давления и его назна-
чения пневмотранспортные установки разде-
ляют на всасывающие, нагнетательные и сме-
шанные; на установки низкого (до 5-103 Па),
среднего (от 5 103 до 104 Па) и высокого (свы-
ше 104 Па) давления.
Элементами пневмотранспортных уста-
новок являются (рис. 5.51): загрузочное уст-
ройство 7; материалопровод 2; разгрузитель 3;
пылеотделитель 4; воздуховод 5; воздуходув-
ная машина 6; шлюзовой затвор 7.
С помощью всасывающих установок
можно перемещать сыпучие грузы из несколь-
ких точек в одну, а с помощью нагнетательных -
из одной точки в несколько. Комбинация уста-
новок этих типов позволяет получить смешан-
ную установку, сочетающую в себе указанные
достоинства. Материалопроводы могут иметь
различную конфигурацию трассы в зависимо-
сти от условий производства. Участки мате-
риалопровода могут быть прямолинейными
(вертикальными, горизонтальными, наклонны-
ми) и криволинейными (отводы, колена).
Рис. 5.51. Пневмотранспортные установки:
а - всасывающие; б - нагнетательные;
в - смешанные
Расчет основных характеристик пнев-
моустановок. Движение частиц твердого тела
в вертикальной трубе возможно, если скорость
восходящего потока воздуха будет больше
скорости витания этих частиц. Для сложной
транспортной трассы назначают рабочую ско-
рость и воздуха:
t> = fc3(10,5+0,57t>Bl1T),
где £»вит - скорость витания, м/с;
к3 =1,2. ..1,3 - коэффициент запаса.
Перемещение частиц твердого тела в го-
ризонтальном воздушном потоке происходит
во взвешенном состоянии, обусловленном на-
личием аэродинамической подъемной силы,
заставляющей частицу перемещаться к оси
трубы материалопровода.
Коэффициентом массовой концентра-
ции называют отношение массового расхода
груза М г к массовому расходу воздуха М в :
H = A/r/WB.
Выбор коэффициента массовой концент-
рации зависит от характеристик груза, конкрет-
ных условий работы пневмотранспортной ус-
тановки и др.
Массовый расход воздуха определяется
при известном значении Ц :
Л/в — Л/г/ц ,
или объемный расход воздуха
QB=Mr/pg[L;
где р - плотность воздуха, кг/м3.
Внутренний диаметр материалопровода
(труба круглого сечения) определяется по
формуле
£> = 1,0з/^.
V
По полученному значению внутреннего
диаметра выбирается ближайший больший
диаметр трубы по стандарту, а затем уточняет-
ся рабочая скорость воздуха.
При движении смеси воздуха и груза в
трубах пневмотранспортной установки энергия
расходуется на преодоление сопротивления
движению. При этом суммарные потери давле-
ния в установке
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СЫРЬЯ И ПОЛУФАБРИКАТОВ
213
= АР осн + Др
ВСП ’
где Д/?осн и Дрвсп- потери давления соот-
ветственно в основных элементах установки
(приемнике, материалопроводе и отделителе) и
во вспомогательных, Па.
Потери давления в приемнике ДрПр
АРпр = ,
где £Пр _ коэффициент сопротивления прием-
ника.
Потери давления в материалопроводе
Др = Дръ + Дрр + ДрТр 4- Дрп 4" Дрмс •
фициенты сопротивления; р, рот - коэффици-
ент потери давления на разгон после приемни-
ка, местного сопротивления; i^B,^T - коэф-
фициент местного сопротивления.
Значения перечисленных коэффициентов
определяются для конкретных условий по но-
мограммам, таблицам и формулам, приведен-
ным в [17].
После расчега материалопровода подби-
рают отделитель [17] и рассчитывают потери
давления в нем:
АРотд — 0»5^отдР ^вх ’
состоят из потерь:
на перемещение чистого
л 1lpv2
&рк = л,——;
в 2D
на разгон материала после
Дрр =0,5ррг?2;
на перемещение материала в
воздуха
приемника
вертикаль-
ных и горизонтальных прямолинейных участ-
л > lpv2
ках материалопровода ДрТр — Атр »
причем потери давления в горизонтальных и
вертикальных участках всегда рассчитывают
отдельно;
на подъем материала
где р1 - плотность воздуха, соответствующая
давлению р в начальном сечении входного
патрубка, р1 =| 1 —|р.
V 105 J
При расчете последующих элементов се-
ти плотность воздуха принимается постоянной
и равной р1, г?вх - скорость воздуха во вход-
ном патрубке, рассчитанная для выбранного
отделителя; ^отд - коэффициент сопротивле-
ния отделителя.
Определяют потери давления во вспомо-
гательных элементах пневмоустановки. Сум-
марные потери давления в воздухопроводах
АРтр —
s/рЧ2
2DB
/=1
рЧ2
2
Арп = НРт£--------h-
V ^вит
на преодоление местных сопротивлений
(в частности, в отводах)
ДРмс = Др кв 4-Др
кт + Арраз ’
где потери давления при движении воздуха
Дркв = 0,5^врг?2 ’ потери давления при
движении твердого компонента Дркт =
= 0,5^тр£»2; потери давления на восстановле-
ние скорости твердого компонента после отвода
Дрра30,5рОтР^2 ’ I ~ длина материалопрово-
да, м; h - высота подъема на вертикальном
участке, м; X, ХТр - соответствующие коэф-
где L/ - длина прямолинейных отрезков воз-
духопровода (£>в= const); vB - скорость
воздуха в воздухопроводах; рекомендуется
ив =12...14 м/с [17]; Q - коэффициент ме-
стного сопротивления; тс - количество мест-
ных сопротивлений.
Выбор батарейного циклона производит-
ся аналогично подбору отделителя, при этом
потери давления Дрпо составляют:
Ар по — ^вх ,
где ^по - коэффициент сопротивления при
пылеотделении, значение которого для бата-
рейных циклонов дается в [17]. Сопротивление
матерчатых фильтров определяется по специ-
альным графикам.
214
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
Подбор воздуходувной машины произво-
дится по полученным в результате расчета
значениям расхода воздуха и суммарным поте-
рям давления в сети с помощью специальных
таблиц или графиков [17].
При подборе воздуходувной машины
учитывают, что воздух, перемещаемый ею, по
физическим свойствам значительно отличается
от стандартного. Частоту вращения рабочего
колеса воздуходувной машины устанавливают
по давлению
“ с ’
1 — 10 £Дробщ
где рвм - давление, развиваемое воздуходув-
ной машиной, = (l,l...l,5)LAp с
учетом неучтенных потерь, вызванных качест-
вом монтажа оборудования и другими причи-
нами.
Потребную мощность (кВт) электродви-
гателя воздуходувной машины определяют по
формуле:
дг _ ^общРвм
1000г|вмГ|Пр
где <20бщ - общий расход воздуха в сети с
учетом подсосов в отделителях и пылеотдлите-
лях, м3/с; рекомендации по определению под-
сосов даны в [17]; Г|вм - КПД воздуходувной
машины, согласно ее характеристике; Чпр ~
КПД привода воздуходувной машины.
По потребной мощности выбирают бли-
жайший больший по мощности электродвига-
тель.
Пневматический трубопроводный
транспорт полуфабрикатов хлебопекарного
производства. На многих хлебозаводах широ-
кое распространение получила технология
приготовления массовых сортов пшеничных и
ржаных изделий на жидких полуфабрикатах
(опары, закваски, заварки). В процессе двух-
фазного тестоприготовления полуфабрикаты
вначале замешиваются, затем поступают в ем-
кости, где созревают до необходимой кислот-
ности. Выброженный полуфабрикат закачива-
ется насосом в накопительный бак, из которого
поступает в тестомесильные машины.
Очевидно, что стабильность работы тес-
томесильных машин зависит от бесперебойно-
го транспортирования полуфабрикатов. Однако
опыт использования насосов (шестеренчатых,
винтовых, центробежных и др.) позволяет от-
метить ряд их существенных недостатков: во-
первых, полуфабрикаты, обладающие высокой
кислотностью, разрушают уплотнения под-
шипников рабочих органов насосов, что при-
водит к уменьшению подачи и срока службы
насосов; во-вторых, интенсивное воздействие
рабочих органов ухудшает технологическое
качество полуфабрикатов.
С целью устранения этих недостатков на
ряде предприятий вместо насосов начали уста-
навливать монжусы. Учитывая наличие на
хлебозаводах сжатого воздуха для пнев-
мотранспорта муки, такая замена вполне обос-
нована. Однако широкое внедрение трубопро-
водного транспортирования полуфабрикатов с
помощью сжатого воздуха сдерживается от-
сутствием методики его расчета.
Установлено [1], что полуфабрикаты яв-
ляются неньютоновскими жидкостями, реоло-
гические свойства которых достаточно хорошо
аппроксимируются уравнением Бингама:
т~т0+т1плУ’
где Tq- предельное напряжение сдвига, Па;
Г|пл- динамическая (пластическая) вязкость,
Па с; у - градиент скорости, с1.
Так, для выброженной пшеничной опары
влажностью 70 % эти параметры составляют:
т0= 15,00 Па; Т]пл = 0,08 Па с.
Предлагаемая методика расчета состоит
из следующих этапов.
1. Проводят реологические испытания
полуфабриката, используя методы капилляр-
ной вискозиметрии с целью получения зависи-
мости между консистентными переменными:
Тст ~ / (Yep ) ,
f kp\d
где тст = ——------напряжение на стенке, Па;
k е J4
у =----- - средний градиент скорости (точ-
d
нее градиент скорости у стенки для аналогич-
ной ньютоновской жидкости), с1; Др/е -
потеря давления на единицу длины трубопро-
вода, Па/м; d - диаметр трубопровода, м;
^ср “ средняя скорость потока, м/с.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СЫРЬЯ И ПОЛУФАБРИКАТОВ
215
Практическая значимость этой зависимо-
сти состоит в том, что при отсутствии турбу-
лентности и пристенного скольжения она
справедлива для любого диаметра трубопро-
вода.
2. Выбирают диаметр трубопровода:
обычно от 0,040 до 0,080 м в зависимости от
геометрических параметров трубопровода (вы-
соты нагнетания А, м; спрямленной длины,
/с , м) и влажности полуфабриката 62 % < W <
< 72 %.
3. Определяют среднюю скорость, м/с,
_ 4е
_ ’
па
где Q - расход, м3/с.
Полученная величина должна соответст-
вовать рекомендуемому диапазону скоростей
0,2 м/с < исг. < 0,5 м/с.
ср
При невыполнении этого условия следует
скорректировать значение диаметра.
4. Проверяют отсутствие турбулентности,
рассчитывая обобщенный критерий Рейнольдса:
Не--1'—
Л эф
где р - плотность полуфабриката, кг/м3;
Лэф ~ его эффективная вязкость, соответст-
вующая рабочему диапазону уср, Па с.
Среднее значение этого критерия состав-
ляет:
D 0,35 0,06 900
Recn =--------------= 25,2 < 150,
ср 0,75
что гарантирует ламинарный режим течения
полуфабрикатов.
5. Рассчитывают потерю давления (Па/м)
на единицу длины по упрощенному уравнению
Букингама-Рейнера:
Ap_4f8^cp 4
е А1~Ппл +3Т°/
6. Находят давление воздуха (Па) в мон-
жусе (напор побудителя транспортирования):
н =—lc +yh,
е
где у - удельный вес полуфабриката, Н/м3;
обычно И < 2-105 Па.
Производственные испытания пневмо-
трубопроводных установок показали перспек-
тивность дополнительного насыщения полу-
фабрикатов диоксидом углерода. По данным
М. Браника удельный расход диоксида углеро-
да ЯСО2 /Q= мг/г позволяет сократить
время брожения опары до 25 %, уменьшить
энергозатраты на ее транспортирование до
11 % и повысить качество хлеба при одновре-
менном улучшении санитарно-гигиенических
условий перекачки (не развивается посторон-
няя микрофлора) за счет профилактической
продувки установки после очередной перекачки.
Аэрозольтранспортные установки. Аэ-
розольтранспортные установки представляют
собой нагнетательные пневмотранспортные
установки с высокими концентрациями мате-
риала. На рис. 5.52 представлена схема аэро-
зольтранспортной установки.
В питателе 5 сжатый воздух, прошедший
воздушный фильтр 1 и влагомаслоотделитель
4, смешивается с грузом; происходит аэрация
(насыщение воздухом) последнего, и смесь
поступает в матер иало про вод б, где перемеща-
ется сплошным потоком.
Скорость и объемный расход воздуха в
установках аэрозольтранспорта существенно
ниже, чем в пневмоустановках, поэтому отпа-
дает необходимость в громоздких устройствах
для отделения груза от воздуха (разгрузителях)
и последующей дополнительной очистки воз-
духа от пыли (батарейные циклоны и фильт-
ры), а воздух очищается, проходя в установ-
ленную в верхней части силоса 9 фильтроваль-
ную перегородку 8. Ренсивер 3 нужен в случае
применения поршневых компрессоров. Пере-
ключатели 7 используются для изменения на-
правления движения смеси.
Рис. 5.52. Схема аэрозольтранспортной
установки
216
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
Высокая концентрация смеси и незначи-
тельные диаметры материалопровода обуслов-
ливают относительно большие потери давле-
ния и требуют большого перепада давлений
между началом и концом материалопровода.
Этот перепад создается обычно шестеренчатым
(до 80 кПа) или поршневым (до 0,6 МПа) ком-
прессором 2.
Избыточное давление в начале материа-
лопровода предъявляет требования к герме-
тичности питателей. Принимаются питатели
следующих типов: барабанные (шлюзовые),
винтовые (шнековые) и камерные. Выбор типа
питателя диктуется характеристикой материа-
ла, сопротивлением сети и возможностями
питателя. Ниже приведены значения давления,
создаваемого различными нагнетателями (Па).
Барабанные (шлюзовые)... до 0,7-105
Шнековые...............до 1,4-105
Камерные...............до 4,0-105
Расчет аэрозолътранспортной уста-
новки. Потери давления в аэрозоль-
транспортной установке происходят:
в воздуховоде (от нагнетателя до питате-
ля);
в питателе;
в материалопроводе;
в отделителе.
Основным сопротивлением аэро-
зольтранспортной установки является сопро-
тивление материалопровода
= Арр 4-Дртр +Д/?п +ДРмс-
При расчете потерь давления в материа-
лопроводе, присоединенном к камерному пита-
телю, в расчетную длину следует включить
длину участка, погруженного в камеру питателя.
Вследствие низких скоростей несущей
среды динамическими потерями давления и
потерями давления от трения воздуха о стенки
материаловода можно пренебречь (их доля в
общих потерях давления составляет не более
3 %).
Расчет ведут в такой последовательности.
Выбирают тип питателя и назначают началь-
ную скорость воздуха для питателей:
для шлюзовых и шнековых иИ =
= 7,5 м/с;
для камерных г?н = 3 м/с;
В конце материалопривода скорость воз-
духа
VK =г'н(| + 10~5 Др). (5.48)
По заданной производительности находят
оптимальный диаметр материалопривода. Ре-
комендации по выбору вертикального мате-
риалопривода даны в [17]. Значение диаметра
(м) горизонтального материалопривода может
быть найдено по формуле
z>>o,o3,/a7/
где Мг - массовый расход материала.
Задавшись начальной скоростью воздуха
и определив диаметр материалопривода, при-
ступают к расчету потерь давления.
Зная потери давления в материалоприво-
де, определяют конечную скорость воздуха по
формуле (5.48) и его объемный расход, м3/с,
0 = Qr?K =QyH(l + I0“5 Д/?);
где Q - площадь сечения материалопровода,
массовую расходную концентрацию материала
ц в потоке.
По этим величинам определяются потери
давления в отделителе Дротд .
Определив потери давления в материало-
проводе и отделителе, их сверяют с пределом
давления для выбранного типа питателя. Если
потери давления в материалопроводе превы-
шают предел давления выбранного питателя,
то следует сделать пересчет нового типа пита-
теля, допускающего большее давление в сети.
Возможен и другой вариант.
Если потери давления в материалопрово-
де превышают предел давления выбранного
питателя, то следует снизить сопротивление
материалопровода, увеличив его диаметр. При
этом следует ориентироваться на значение
диаметров, определенных как Di = D +
4-0,001 м, с округлением его до ближайшего
диаметра по государственному стандарту.
Выбрав окончательно тип питателя, рас-
считывают его сопротивление.
Сопротивление шлюзового питателя
Дрш =180-^ +се2, (5.49)
где - коэффициент сопротивления питателя
на чистом воздухе. Из-за малого значения про-
2
изведения им можно пренебречь.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СЫРЬЯ И ПОЛУФАБРИКАТОВ
217
Сопротивление шнекового (винтового)
питателя А рвпт включает сопротивление
пористой перегородки А рпп и сопротивление
собственно камеры Д ркам :
ДРвпт = ДРпп + & Ркам ’
АРпп=^п^ф? (5.50)
где - скорость фильтрации, м/с; тп - ко-
эффициент сопротивления;
л/ге0’35
-40'7 г", ~ ,---------йиГ
D (l+IO P«.J
/\ам ~ избыточное давление в камере, Па;
Q - количество воздуха, поступающего в ма-
териалопровод; Q = Qn - q ; Qn - количество
воздуха, поступающего в питатель; q - утечка
воздуха из питателя.
Сопротивление камерного питателя
Д/?кп включает сопротивление пористой пере-
городки Дрпп и сопротивление слоя Арсл
материала, лежащего между пористой перего-
родкой и началом материалопровода:
А РкП ~ A Z^nri + & Рсл •>
ДРсл =^/1слРт(1-еХ <5'51)
где /?сл - высота слоя материала; 8 - пороз-
ность.
Для определения заданной производи-
тельности установки при работе с камерным
питателем необходимо выбрать соответствую-
щую продолжительность цикла его работы:
тк/1\1>МТ , (5.52)
где тк - масса груза, заполняющего камеру, кг.
При этом
|80(Ккп+И2-шк/1400)10_5
UQ
где 13 - время загрузки камеры, с; V2 ~ объем
воздуховода, ресивера и других емкостей, рас-
положенных между компрессором и питате-
лем, м3; Екп - объем камеры питателем, м3;
А/кп - экспериментально определяемая про-
изводительность питателя; А/кп =(1,5...
1,6)Л/Г.
Если условие 5.52 не выполняется, то
следует увеличить расход воздуха или значе-
ние производительности Л/кл до 3 Л/г и т.д.,
пересчитывая материалопровод и установку
для новых значений Q или МГ .
Для выбора типа нагнетателя необходимо
подсчитать расход воздуха QH и давление
А рн, которые должен обеспечить нагнета-
тель. Расчетное давление нагнетателя
Дрн = 1>15( ДрВП +Дрлит + Ар) ,
где А рлит - сопротивление питателя, см.
формулы (5.49), (5.50) и (5.51); А /7ВП - сопро-
тивление воздуховода; при длине подводящего
воздуховода I < 10 м не учитывается;
/ \ I 7 / \
д Рш1, I+у с, W
ив - средняя скорость воздуха в воздуховоде,
vB =15,0 м/с; DB - диаметр воздуховода, м;
I ios(e+ey) ".
р7о,(ю! .\Л11| + Др)'
Qy - утечка воздуха из питателя, определяе-
мая по специальным графикам [1].
Расчетная подача нагнетателя
а =и(е+£у).
Аэрогравитационный транспорт. Аэро-
гравитационный транспорт применяется для
перемещения сыпучих тонкодисперсных гру-
зов по горизонтальным трассам. Установки
гравитационного транспорта аэрированных
материалов - аэрожелоба состоят из двух кана-
лов 2 и 3, разделенных пористой перегородкой
4 (рис. 5.53). Верхний канал предназначен для
транспортирования материала, в нем преду-
смотрены патрубки 5 для загрузки и 7 для вы-
218
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
Рис. 5.53. Установка гравитационного транспорта аэрированных материалов
"грузки материала, а также отверстия I для уда-
ления воздуха, используемого при ожижении
материала. Нижний канал - это распредели-
тельная камера, в которую через патрубок 6
подается воздух для ожижения материала.
Воздух проходит через все поры перего-
родки, поступает в массу материала, аэрирует
его, приводя в псевдоожиженное состояние, и
достаточно незначительного уклона (1...3°) в
сторону выпускаемого отверстия для переме-
щения материала.
Расчет основных характеристик аэ-
рожелобов. В основу расчета аэрожелобов
положен выбор оптимальных его размеров по
критерию минимальной энергоемкости транс-
портирования материала. Исходными данными
для расчета являются: производительность
установки (массовый расход) Мг ; плотность
транспортируемого материала рт; эквива-
лентный диаметр частиц d3 ; длина транспор-
тирования L; схема трассы и угол наклона же-
лоба а .
Ширина желоба b из условия 2b<hCJ] [17]:
J змг(1-£)~
у kpTmnv(p sin а ’
где к - коэффициент производительности;
тп - коэффициент сопротивления пористой
перегородки; tfy - скорость фильтрации; 8 -
порозность слоя материала.
Расчет следует вести сразу для несколь-
ких типов пористых перегородок, поскольку не
известна высота слоя материала, а для устой-
чивого транспортирования необходимо, чтобы
потери давления на пористой перегородке
Д /?пп были не больше потерь давления в слое
Д рсп. Коэффициенты сопротивления порис-
тых перегородок выбирают по справочным
таблицам [17].
Оптимальная скорость фильтрации
и. = 1,5г? ;
ф ’ min ’
где i?mjn - минимальная скорость псевдоожи-
pg j
жения, м/с; i?mjn = — ReT; р - плотность
d3
воздуха, кг/м3; Re^ - приведен-
ный критерий Рейнольдса; Re^ =
= 1400 + 5,22л/Лг); Аг - критерий
А Л РТ " Р
Архимеда; Аг = —---------.
V2 Р
Величина порозности
.-0 21/ э \0,21
е = Ar " Zl (i8ReT+0,36Re?) ;
где V - кинематическая вязкость несущей
среды, м2/с.
Коэффициент производительности
к - а&ф - с \
где а, с - эмпирические коэффициенты; для
муки а - 2,84, для крупок а = 0,284;
с = 0,024.
После определения величин к, и 8
рассчитывают несколько значений ширины
желоба 6, а затем определяют значения удель-
ной мощности на транспортирование при раз-
личных пористых перегородках:
^уд ~ Дрпп + ^Рсл ) •
Из полученного ряда значений выбирают
минимальное и для него выполняют проверку
условия
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СЫРЬЯ И ПОЛУФАБРИКАТОВ
219
АРсл /&Рпп — h 5 ;
где Дрпп = ; \р^ = ghcnpT (1 - е) =
= ЗМГ (1-е)/2А:63рт sin а .
При выполнении этого условия определя-
ется
= £pTgsina/3.
Если условие 2/?</^л не соблюдается,
то необходимо вернуться к рассчитанным зна-
чениям Nyn, взять следующее наименьшее
значение, расчеты повторить.
После определения параметров желоба и
выбора типа пористой перегородки рассчиты-
вают расход воздуха и суммарные потери дав-
ления в установке (Па):
Ар = Арв + Арф + Арпп + Дрсл ,
где Д/2ф - потери давления в воздухоочисти-
тельных устройствах, Па; Дрв - потери давле-
ния в подводящей сети, Па;
' п
= 0,5 Xх/
АРв
£
Di
т
где V - скорость воздуха в воздухопрово-
дах, м/с; v = Q/Q; Q - объемный расход
воздуха, м3/с; Q - площадь сечения воздухо-
2
провода, м .
Расход воздуха, проходящего через по-
ристую перегородку,
Q = 2££л?ф.
Подбор воздуходувной машины произво-
дится по полученным в результате расчета
значениям расхода воздуха и суммарным поте-
рям давления в сети с помощью специальных
таблиц или графиков [17].
Потребная мощность (кВт) электродвига-
теля воздуходувной машины
1000г|вмг|Пр
где Г)вм и Лпр “ КПД воздуходувной маши-
ны, согласно ее характеристике, и КПД приво-
да воздуходувной машины.
5.5.4. ПОДЪЕМНО-ТРАНСПОРТНЫЕ УСТРОЙСТВА
ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ
ДЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ШТУЧНЫХ ГРУЗОВ
Для комплексной механизации и автома-
тизации транспортных, складских и погрузоч-
но-разгрузочных работ с тарно-штучными гру-
зами в пищевой и перерабатывающей про-
мышленности применяют различную универ-
сальную подъемно-i ранспор1ную технику пе-
риодического действия:
подвесные и опорные краны-штабелеры;
кран-балки;
электротельферы и электротягачи на мо-
норельсе;
авто- и электропогрузчики;
электрокары и электротягачи;
напольные штабелеры и электротележки;
грузовые лифты и подъемники;
пакетоформирующие и пакеторазборные
машины;
гравитационные и сборно-разборные
стеллажи;
унифицированную тару и поддоны.
На предприятиях ряда отраслей пищевой
промышленности транспорт грузов не только
органически связан с технологическим процес-
сом, но и является активным фактором, воз-
действующим на его организационную струк-
туру и оказывающим основное влияние на всю
экономику производства.
При комплексной механизации создается
рациональное сочетание средств механизации
транспортных, погрузочно-разгрузочных и
складских работ с технологическим оборудо-
ванием в течение всего производственного
процесса, а труд обслуживающего персонала
сводится к управлению машинами и контролю
за их состоянием.
Вид груза и его характеристика опреде-
ляют технологию грузопереработки.
Штучные грузы характеризуются мас-
сой, габаритными размерами, видом тары или
контурами и видом опорной поверхности. Тар-
но-штучные грузы транспортируются в проч-
ной упаковке (таре), предохраняющей груз от
потерь и порчи (в коробках, ящиках, мешках и
т.п.) По особенностям эксплуатации транс-
портную тару делят на многооборотную и ра-
зовую.
Основные размерные ряды прямоуголь-
ной тары (ящики, коробки) установлены ГОСТ
21140-88: предпочтительные внутренние раз-
меры 95, 114, 126, 142, 190, 228, 253, 285, 380,
570, 760, 1140 мм; наружные 100, 120, 133, 150,
200, 240, 266, 300, 400, 600, 800, 1200 мм.
220
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
На основе ГОСТ 2991-85 для различных от-
раслей пищевой промышленности установлены
специализированные стандарты на размеры и
типы ящиков для грузов массой до 500 кг. Ши-
рокое применение получили ящики из гофри-
рованного клееного картона по ГОСТ 9142-90.
С учетом формы, специфики, массы, раз-
меров и ценности продукции применяют ящи-
ки из гофрированного картона для продоволь-
ственных товаров 29 типоразмеров (ГОСТ
13511-91), продукции мясной, молочной и
птицеводческой промышленности 12 типораз-
меров (ГОСТ 13513-86), для консервов и прес-
сервов, а также для пищевых жидкостей 54
типоразмеров (ГОСТ 13358-84).
Для зерна, муки, сахарного песка приме-
няют льняные и джутовые тканные мешки, а
также мешки из полимерных материалов. При
этом масса мешка с грузом не должна превы-
шать 50 кг.
Основным наиболее универсальным не-
сущим средством пакетирования тарно-
штучных грузов является поддон. Разнообраз-
ная номенклатура транспортируемых грузов
вызвала необходимость применения поддонов
самых различных конструкций (плоских, сто-
ечных, ящичных, решетчатых и др.). Для об-
ращения на всех видах транспорта и во внеш-
неторговых перевозках рекомендуется приме-
нять поддоны размером 800 х 1200 мм.
Применение плоских поддонов эффек-
тивно, когда разработаны меры, обеспечиваю-
щие устойчивость пакета в процессе транспор-
тирования, а также когда прочность тары обес-
печивает достаточную высоту штабелирования
грузов при хранении их на складах. Если эти
условия не выполнены, то применяют стоеч-
ные поддоны.
Правильный выбор подъемно-транс-
портного оборудования имеет решающее зна-
чение для успешной работы современного
предприятия.
Вилочные погрузчики играют важную
роль в механизации погрузочно-разгрузочных,
транспортных и складских операций в пищевой
промышленности. Эти машины значительно
повышают производительность труда и сни-
жают материальные затраты на перевозку гру-
зов. Сменные грузозахватные приспособления
делают погрузчики универсальными средства-
ми механизации трудоемких процессов погру-
зочно-разгрузочных и транспортных работ.
Погрузчики компактны, маневренны, имеют
небольшую массу и высокие эксплуатацион-
ные показатели. Они требуют сравнительно
малых капиталовложений при коротких сроках
окупаемости.
Погрузчики по своему конструктивному
исполнению подразделяются на следующие
типы:
универсальные с приводом от двигателей
внутреннего сгорания (бензиновых, дизель-
ных), и аккумуляторные (электрические);
погрузчики с боковым выдвижением гру-
зоподъемника с приводом от двигателей внут-
реннего сгорания и аккумуляторные;
аккумуляторные штабелеры, управляе-
мые с пола или с площадки машины.
Тип привода влияет на область примене-
ния и технические характеристики машин.
Автопогрузчики (бензиновые или дизельные)
предназначены для погрузочно-разгрузочных
работ только на открытом воздухе, или в хо-
рошо проветриваемых (сквозных) помещениях.
Для работы в закрытых помещениях и продук-
товых складах погрузчики оснащаются катали-
затором. При этом можно работать с грузами
всех видов, кроме открытых (негерметично
упакованных) пищевых продуктов. При нали-
чии установленного катализатора можно
транспортировать замороженные продукты.
Электропогрузчики предназначены для
погрузочно-разгрузочных работ в закрытых
помещениях и на продуктовых складах грузов
всех типов, включая замороженные и открытые
виды пищевых продуктов.
Основными техническими характеристи-
ками погрузчиков, определяющими их экс-
плуатационные качества и производитель-
ность, являются: грузоподъемность 0,5...70 т;
скорость подъема груза 4...20 м/мин; скорость
передвижения с грузом 4...35 км/ч. Важной
характеристикой погрузчика является его ма-
невренность, особенно при небольшой грузо-
подъемности и работе в закрытых вагонах и в
стесненных условиях складов и цехов. Манев-
ренность погрузчика зависит от ряда факторов,
взаимно влияющих друг на друга, наиболее
важными из которых являются габаритные
размеры; минимальный радиус поворота; кон-
структивное выполнение опорных точек по-
грузчика (трехколесная или четырехколесная
машина). Эти факторы предопределяют необ-
ходимую ширину проездов, пересекающихся
под углом 90°, и ширину коридора для разво-
рота на 180°.
Универсальный электропогрузчик пред-
ставляет собой четырехколесную самоходную
машину, выполненную с двумя передними
ведущими колесами и двумя задними управ-
ляемыми (рис. 5.54). При малых габаритных
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СЫРЬЯ И ПОЛУФАБРИКАТОВ
221
размерах и сравнительно малой собственной
массе он обладает устойчивостью и высокой
маневренностью.
Вилочные погрузчики оснащаются боль-
шим комплексом сменных рабочих приспособ-
лений, которые обеспечивают нормальную
работу погрузчиков при обработке специфиче-
ского груза (бочек, рулонов, кип, баррелей и
др.). Выбор типа сменного рабочего приспо-
собления зависит не только от вида груза, но и
от грузоподъемности погрузчика. К сменным
рабочим приспособлениям относятся:
захват с верхним прижимом;
захват для тюков; полноповоротный за-
хват для бочек;
поворотная каретка в вертикальной плос-
кости (кантователь);
боковой захват с комплектом сменных
лап;
стал ки вате ль;
ковш для сыпучих материалов;
захват для круглых грузов;
стрела, штыревой и многоштыревой за-
хваты;
удлинитель вил;
каретка смещения и др.
Небольшие габаритные размеры вилоч-
ных погрузчиков позволяют им перемещаться
Рис. 5.54. Универсальный электропогрузчик
внутри цехов и складов по узким проходам и
проездам, что в конечном счете дает возмож-
ность доставлять грузы непосредственно к
рабочему месту без всякой перегрузки с одного
вида транспорта на другой.
Параметры вилочных автопогрузчиков
общего назначения регламентированы ГОСТ
16215-80. Основные параметры и технические
требования на электро- и автопогрузчики для
работы в контейнерах и крытых железнодо-
рожных вагонах представлены в ГОСТ
27270-87.
В России погрузчики выпускает Маши-
ностроительный завод им М.И. Калинина (ЗиК,
Екатеринбург). Техническая характеристика
погрузчиков этого завода приведена в табл. 5.16.
5.16. Техническая характеристика погрузчиков ЗиК
Параметры Тип погрузчика
Дизельные погрузчики ДП-1604/ДП-1 604-2* ДП-3000
Номинальная грузоподьемность, кг 1600 3000
Номинальная высота подъема, мм 3000 3000
Свободная высота подъема, мм 1500 1500
Габаритные размеры, мм:
длина(полная) 3232 2690
ширина 1100 1250
высота по грузоподъемнику 2090 2300
Внешний радиус поворота, мм: 2000 2350
Электропогрузчики ЭП-103 ЭП-1616
Номинальная грузоподъемность, кг 1000 1600
Номинальная высота подъема, мм 3300 3000
Свободная высота подъема, мм 2000 1150
Габаритные размеры, мм:
длина (полная) 1860 3015
ширина 950 1060
высота по грузоподъемнику 2105 2120
* С января 2002 г. ЗиК выпускает дизельный погрузчик «ДП1604-2» с двигателем фирмы Deutz (Герма-
ния). Применение этого агрегата позволило заметно снизить уровни шума и вибраций при работе погрузчика.
Выбросы отработанных газов в атмосферу соответствуют требованиям стандарта EURO-1. Улучшена также
динамика погрузчика, а расход топлива снижен до 2,8 л/ч (3,6 л/ч у модели «ДП1604» с двигателем ВТЗ).
222
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
Среди зарубежных производителей по-
грузчиков можно отметить такие фирмы, как
BalkanCar и Dimex Holding (Болгария), Toyota,
Nissan, Mitsubishi, Komatsu (Япония), Daewoo
(Южная Корея), Linde (Германия), Hyster (Со-
единенное Королевство), Caterpillar (США)
ит.д.
Широкое применение на предприятиях
пищевой промышленности получила продук-
ция фирмы BalkanCar и, в частности, электро-
погрузчики семейства «Компакт», обладающие
компактными размерами. Техническая характе-
ристика погрузчиков фирмы BalkanCar дана в
табл. 5.17.
Авто- и электропогрузчики фирмы Димекс
отличаются современным дизайном, низкими
уровнями шума и вибрации, отличным обзором
с места водителя и маневренностью, легким
доступом для обслуживания. Выпускаются с
двигателями: электрическим, грузоподъемно-
стью 1... 2,5 т; высотой подъема груза до 3,3 м,
с дизельной грузоподъемностью 1...5,0 т; высо-
той подъема груза до 6,2 м), с газовой грузо-
подъемностью 1,6...2,5 т; высотой подъема
груза до 3,3 м. Техническая характеристика не-
которых погрузчиков фирмы Dimex приведена в
табл. 5.18.
Дизельные погрузчики фирмы Toyota от-
вечают разнообразным условиям погрузочно-
разгрузочных работ. Они оснащены рулевым
колесом с регулируемым наклоном и регули-
руемым в продольном направлении сиденьем.
Двигатели погрузчиков отрегулированы для
обеспечения наибольшей производительности.
На погрузчики могут устанавливаться высоко-
эффективные бензиновые двигатели, работаю-
щие и на сжиженном газе. Экологичные и ма-
лошумные электропогрузчики фирмы Toyota
предназначены для работы в закрытых поме-
щениях: магазинах, складах, вагонах.
Техническая характеристика некоторых
погрузчиков фирмы Toyota приведена в табл.
5.19.
Погрузчики фирмы Hyster табл. 5.20 вы-
пускаются с электрическим, газовым и дизель-
ным двигателями: с электрическим грузоподъ-
мностью 1...5,5т, высотой подъема груза до
6 м; с дизельным грузоподъемностью 1...4,8 т,
высотой подъема груза до 10 м; с газовым гру-
зоподъмностью 1,5...7 т, высотой подъема груза
до 6 м.
5.17. Техническая характеристика погрузчиков завода BalkanCar
Параметры Тип погрузчика
Дизельные погрузчики DB1788 DB1792
Номинальная грузоподьемность, кг 3000 3500
Номинальная высота подъема, мм 3300 3300
Габаритные размеры, мм:
длина (до спинки вил) 2745 2805
ширина 1189 1189
высота (по ограждению) 2160 2160
Внешний радиус поворота, мм 2470 2500
Электропогрузчики ЕВ 687 ЕВ 717 Семейство «Компакт»
Номинальная грузоподьемность, кг 1000 2000 1250...2500
Номинальная высота подъема, мм 2800 3000 2800... 3300
габаритные размеры, мм: длина (до спинки вил) 1840 2300 1953... 2285
ширина 960 1150 (включая спинку вил)
Высота (по ограждению) 1680 2200 995...1185
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СЫРЬЯ И ПОЛУФАБРИКАТОВ
223
5.18. Техническая характеристика погрузчиков фирмы Dimex
Параметры Тип погрузчика
Дизельные и газовые погрузчики D12 D16 D18
Номинальная грузоподъемность, кг 1250 1600 1750
Максимальная высота подъема, мм Габаритные размеры, мм: длина (включая спинку вил) ширина высота (до защитной крыши) 3300 2200 1070 2030 ззоо 3300
Внешний радиус поворота, мм 1930 1930 1930
Электропогрузчики ЕЮ Е12 Е16 Е20
Номинальная грузоподъемность, кг Номинальная высота подъема, мм 1000 1250 2800 1600 2000
Внешний радиус поворота, мм Габаритные размеры, мм: 1750 1880 1900 1950
длина 1875 (1875) (2100) (2200)
ширина высота (по ограждению) 1000 1000 1950 1000 1000 2200
Примечание: В скобках дана длина до спинки вил.
5.19. Техническая характеристика погрузчиков фирмы Toyota
Параметры Тип погрузчика
Дизельные погрузчики 62-6FD10 02-6FDA50
Номинальная грузоподъемность, кг 1000 5000
Номинальная высота подъема, мм 3000 3000
Габаритные размеры, мм:
длина (до спинки вил) 2115 3335
ширина 1045 1450
высота (по ограждению) 1020 2240
Внешний радиус поворота, мм 1880 3070
Электропогрузчики 6FB15 6FB30
Номинальная грузоподъемность, кг 1500 3000
Номинальная высота подъема, мм 3000 3000
Внешний радиус поворота, мм 1770 2210
Габаритные размеры, мм:
длина (до спинки вил) 1970 3560
ширина 1115 1240
высота по ограждению 2095 2210
224
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
5.20. Техническая характеристика погрузчиков фирмы Hyster
Параметры Тип погрузчика
Дизельные погрузчики Н1 Н2
Номинальная грузоподъемность, кг 1500... 1750 2000... 2500
Номинальная высота подъема, мм 3290 3290
Габаритные размеры, мм: длина (до спинки вил) 2155...2190 2500...2565
ширина 1065... 1240 1155...1320
высота (по ограждению) 1072 2105
Внешний радиус поворота, мм 1188,5... 1920 2135...2220
Электропогрузчики Е1 Е2
Номинальная грузоподъемность, кг 1500... 1750 2000...2500
Номинальная высота подъема, мм 3290 3290
Внешний радиус поворота, мм 1645 2199,6...2148
Габаритные размеры, мм: длина (до спинки вил) 1910 2266
ширина 945... 1050 1192... 1308
высота (по ограждению) 2165 2185
Дизельные погрузчики фирмы Hyster
спроектированы с учетом требований к ком-
фортности, достаточного пространства для
водителя и легкости работы. Регулируемое
сиденье изготовлено с учетом анатомических
особенностей человеческого тела. Наклоняемая
рулевая колонка, изоляция рабочего места,
обеспечивающая низкие уровни шума и вибра-
ции, делает работу удобной и снижают уста-
лость водителя.
Отличительной чертой погрузчиков фир-
мы Daewoo является то, что их можно эксплуа-
тировать в трехсменном режиме. По своим
технико-эксплуатационным характеристикам
они не уступают аналогам ведущих мировых
фирм, но дешевле их на 20...25 %. Газовые
электропогрузчики Daewoo серии D/G 18S-2
пользуются большим спросом в пищевой про-
мышленности. Трехопорные электропогрузчи-
ки серии В15Т-2 оснащены технически совре-
менным микропроцессорным микроконтролле-
ром (блоком логики), системой самодиагно-
стики, обеспечивающей быстрое выявление
неисправностей, двумя тяговыми реверсивны-
ми двигателями, позволяющими погрузчикам
разворачиваться вокруг своей оси.
Для перемещения грузов в помещениях
цехов или складов с узкими проходами и не-
большой прочностью перекрытия полов не
всегда представляется возможным применять
вилочные погрузчики. В этих случаях их впол-
не могут заменить малогабаритные гидравли-
ческие, электрические тележки с низким
подъемом или напольные штабелеры. Элек-
тротележки оснащены подъемными вилами
либо платформами (рис. 5.55), с помощью ко-
торых груз подхватывается, приподнимается
над полом на высоту до 125 мм и транспорти-
руется в нужном направлении.
Рис. 5.55. Электротележка с подъемными вилами
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СЫРЬЯ И ПОЛУФАБРИКАТОВ
225
5.21. Техническая характеристика самоходных электротележек
Параметры Производитель, тип
ЗАО «СовПлим» (Санкт-Петербург), ЕСО-РТ20 OMG (Италия), 216ЕСК
Грузоподъемность, кг 2000 1600/1000
Габаритные размеры, мм:
длина 1700
высота 1310 1925 (max)
ширина базы 690 750
Длина вил, мм 1150
Высота подъема вил, мм 215 1485
Минимальная рабочая температура, °C -15
Скорость движения с грузом, км/ч До 5 До 6
Самоходные гидравлические тележки, в
которых используется принцип аккумулятор-
ной тяги, находятся в одной весовой категории
с самоходными штабелерами. Они предусмот-
рены для небольших складов, узких проходов,
для подъема в вертикальной плоскости груза
до 2,5 т и имеют ограничение по высоте поряд-
ка 4,5 м. Скорость движения самоходных те-
лежек, которые имеют ступеньку для операто-
ра, 11... 15 км/ч, а если ступенька отсутствует и
оператор ходит за тележкой, то скорость
меньше в 2 раза (5... 7 км). Иногда особенно-
сти склада требуют использования тележек с
такими дополнительными устройствами, как
весы или тормоз. Счетчик веса суммирует мас-
сы перевозимого груза, и возможен вывод дан-
ных на компьютер. Тормоз может быть двух
видов: стояночный и путевой, который позво-
ляет притормаживать на склонах.
Техническая характеристика некоторых
электротележек приведена в табл. 5.21.
В тех случаях, когда необходимо не толь-
ко транспортировать грузы, но и укладывать их
штабелями или в стеллажи, следует применять
напольные механические, гидро- или элек-
троштабелеры (рис. 5.56). Эти машины, обла-
дая такими же ходовыми качествами, как по-
грузчики, имеют выдвижные грузоподъемники,
позволяющие значительно уменьшить габа-
ритные размеры машин в транспортном поло-
жении и использовать их в стесненных услови-
ях цехов или складов. Штабелеры, как и по-
грузчики, предназначены для подъема, снятия
и перемещения груза в закрытых помещениях
на небольшие расстояния, но имеют большую
высоту подъема груза. Если у погрузчики име-
ют стандартные мачты по высоте подъема до
6 м, т.е. штабелеры могут обслуживать высоты
до 11... 12 м.
Для их работы очень важное значение
имеет ровность пола. Штабелеры применяют-
ся, как правило, в более узких проходах чем
погрузчик. Они могут быть как с ручной (гид-
равлические), так и электрической тягой (элек-
трические).
Характеристики двух вариантов штабеле-
ров фирмы VENI (Болгария) и штабелера фир-
мы BETA SL Ml20/16 (Италия) приведены в
табл. 5.22.
Опыт показывает следующее:
вилочные погрузчики целесообразнее
применять на межцеховых перевозках при
дальности транспортирования до 300 м и объе-
мах перевозок до 30...70 тыс. т в год;
8 — 8434
226
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
5.22. Техническая характеристика напольных штабелеров типа КВЕ фирмы
VENI (Болгария), BETA SL М120/16 (Италия)
Параметры КВЕ 1000/3,0 КВЕ 1000/2,8 BETA SL М120/16
Привод Г идравлический Электрический Гидравлический
Грузоподъемность, кг 1000 1000 1200
Высота подъема вил, мм 3000 2800 1600
Габаритные размеры, мм:
длина 1825 1800 620
ширина 560 560 755
высота 2060 1960 1990
Колесная база, мм 1060 1060
Внешний радиус поворота, мм 1700 1700 1340
Скорость подъема каретки*, м/с 0,14/0,18 0,14/0,18
Высота при поднятой мачте, мм 3360 3260 2120
Собственная масса с батареей, кг 420 420 284
* В числителе даны значения скорости с грузом, а в знаменателе - без груза.
самоходные электротележки следует ис-
пользовать на внутрицеховых и межопераци-
онных перемещениях с дальностью транспор-
тирования 40...50 м;
напольные электроштабелеры лучше все-
го применять для работы непосредственно в
складских помещениях, а также на транспорт-
ных участках, связывающих цеховые склады с
рабочими местами;
электрокары целесообразно использовать
лишь в тех случаях, когда места погрузки и
выгрузки обеспечены постоянными погрузоч-
но-разгрузочными средствами;
тягачи с прицепными платформами зна-
чительно эффективнее по сравнению с элек-
трокарами на межцеховых перевозках, особен-
но если дальность транспортирования превы-
шает 300...400 м.
Говоря об эффективности применения
средств напольного безрельсового транспорта,
следует иметь в виду, что решающее значение
для рационального использования этого вида
транспорта имеет широкое применение обо-
ротной транспортной тары (поддонов, контей-
неров и т.п.).
Потребное количество тележек опреде-
ляется грузопотоком, т.е. производительностью
на данном участке и производительностью
одной тележки. Пусть Q - потребная общая
производительность, т/ч; QT - производитель-
ность одной тележки т/ч; число тележек будет
равно: Z= Q/QT.
Производительность одной тележки, т/ч
- юоог ’
где G - грузоподъемность тележки, кг; -
коэффициент использования грузоподъемно-
сти; k\ -= 0,6... 1,0; к2 - коэффициент использо-
вания времени; к2 = 0.9; Т- продолжительность
рейса, мин.
Современные склады тарно-штучных
грузов весьма разнообразны по номенклатуре,
грузообороту, габаритным размерам складско-
го помещения. Это предопределяет большое
количество разнообразных средств, используе-
мых при механизации складских работ. Долгое
время на складах использовались электропо-
грузчики. Однако низкая высота штабелирова-
ния, а следовательно, малый коэффициент ис-
пользования объема складского помещения,
большая ширина проходов и ряд других небла-
гоприятных факторов заставили искать новые
пути механизации на складах. Появились раз-
нообразные штабелирующие устройства, в
первую очередь краны-штабелеры, электро-
штабелеры, каретки-операторы и стеллажные
штабелеры.
Монорельсовые подвесные дороги яв-
ляются одним из современных средств механи-
зации транспортных операций и находят все
более широкое применение в различных отрас-
лях промышленности.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СЫРЬЯ И ПОЛУФАБРИКАТОВ 227
С помощью монорельсовых подвесных
дорог легко преодолеваются естественные и
искусственные преграды, возможна работа в
условиях уплотненной планировки производ-
ства. Гибкая трасса в горизонтальной и верти-
кальной плоскостях допускает радиусы кривых
до 0,75 м и уклоны до 30°.
Кроме того, монорельсовые подвесные
дороги обладают небольшой энергоемкостью и
возможностью осуществления автоматизации
всего транспортного процесса, включая погру-
зочно-разгрузочные операции.
В качестве подвижного состава на моно-
рельсовых дорогах используются тягачи, одно-
рельсовые самоходные и прицепные тележки
различного назначения, а также передвижные
электротали общего назначения. Общие техни-
ческие условия для электрических канатных
талей определены ГОСТ 22584-96.
Наибольшее распространение получили
тягачи с резиновыми пневмошинами, прижи-
мающимися к низу профиля балки. В этом слу-
чае сила тяги зависит уже не от его веса, а от
степени прижима тягового колеса и коэффици-
ента его сцепления с рельсом:
F = 7Vv|j,
где F - сила тяги, Н; N - сила давления тягово-
го колеса на рельс, Н; ц/ - коэффициент сцеп-
ления тягового колеса с рельсом. Значения
коэффициента сцепления приведены в
табл. 5.23.
Тягачи могут оснащаться программным
управлением. Техническая характеристика тяга-
чей приведена в табл. 5.24.
5.23. Значения коэффициента сцепления колеса с рельсом
Пара трения Состояние поверхности
сухое влажное с песком
Чугунный обод по стальному рельсу 0,15 0,1 0,2
Стальной обод по стальному рельсу 0,2...0,25 0,15...0,2 0,22...0,33
Сплошной резиновый обод по стальному рельсу 0,25... 0,35 0,2 -
Резиновый пневматический обод (колесо) по стальному рельсу 0,35...0,45 0,25 -
5.24. Техническая характеристика тягачей монорельсовых подвесных дорог
Основные показатели Тип тягача
I II III ЭПН-2АП ЭПН-2ПБ
Сила тяги, Н Скорость движения, м/мин: 1450 2800 1500 1500 1500
на горизонтальных путях 22,5 52,78 52 21,3 40
на путях с подъемом Размеры, мм: 22,5 26 26 18,6 21,3 или 14,1
длина х ширина х высота Тип балки пути: 725 х 670 1500x522x350 552 х 565 х 730 552x512x730
узкоколейный рельс — Pl 1, Р15 — РП PH
двутавровая балка № Радиус закругления пути в плоскости, м 14...20 14...22 16...24 12...14
горизонтальной 1 1,5 1,5 1,2 1,2
вертикальной 1,5 3,5 3,0 3,6 —
Мощность электродвигателя, кВт 0,4 1,0 0,6 1,0 0,8
8*
228
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
Сила тяги тягача затрачивается на пре-
одоление сопротивления движению прицепной
тележки (полезная) fVn и самого тягача :
F = jvn +и;,
Сила сопротивления движению тележки, Н,
( d 2k \
= 4(2 + G)l -f + — I + q(RA{ + Л2),
где Q - масса груза с грузозахватным приспо-
соблением, кг; G - собственная масса тележки,
кг; d - диаметр оси ходового колеса, см; D -
диаметр ходового колеса, см; f - условный
коэффициент трения, приведенный к оси коле-
са (f = 0,02 - 0,04); к - коэффициент трения
качения, см; к = 0,03...0,05; q - давление вет-
ра, Н/м2; R - коэффициент аэродинамического
сопротивления; А\ - подветренная площадь те-
лежки, м2; А2 - подветренная площадь груза, м2.
Сила сопротивления движению тягача
(d 2к\
>FT=34^ + G)I-/ + — 1 +
4 f+2*'
+W
+ qRA,
где N - сила прижатия тягового колеса к рель-
су, Н; G - масса тягача, кг; - коэффициент
трения между тяговым колесом и рельсом; -
диаметр оси колеса тягача; D\ - диаметр коле-
са тягача; к\ - коэффициент трения качения
между тяговым колесом и рельсом; А - под-
ветренная площадь тягача.
Для разветвления монорельсовых дорог
применяются различные стыкующие устройст-
ва и стрелки, которые позволяют стыковать
монорельсовую дорогу с лифтом, создавать на
трассах подъемные и опускные секции.
Современный монорельсовый транспорт
позволяет осуществлять автоматическое адре-
сование грузов по различным объектам произ-
водства при сложной трассе перемещения.
Пакетирование тарно-штучных грузов -
один из наиболее эффективных путей решения
комплексной механизации и автоматизации
транспортно-перегрузочных процессов.
Пакетирование по сравнению с беспакет-
ной технологией переработки грузов имеет
следующие преимущества:
возможность транспортирования грузов
всеми видами транспорта;
более рациональное использование
складских площадей благодаря увеличению
высоты штабелей груза;
сокращение продолжительности грузо-
вых операций на всех перегрузочных участках
и увеличение провозной способности всех ви-
дов транспорта;
уменьшение числа рабочих и облегчение
их труда;
сокращение сроков доставки грузов;
снижение стоимости транспортных опе-
раций;
увеличение сроков службы тары;
снижение потерь и повреждений грузов
при перегрузках и перевозках.
Особенно важное значение имеет достав-
ка грузов в пакетах от места производства до
места потребления, связанная с большим коли-
чеством трудоемких и дорогостоящих перегру-
зок. Пакеты транспортируют от завода-
поставщика до склада-получателя без расфор-
мирования. Для формирования пакетов исполь-
зуются поддоны, сетки, прокладки, стропы и др.
Основными элементами всех машин,
предназначенных для формирования и расфор-
мирования пакетов тарно-штучных грузов,
являются: роликовые, цепные и ленточные
конвейеры-питатели, приемные механизмы и
приспособления, подъемные и опускные сто-
лы-укладчики, направляющие аппараты, меха-
низмы продольного и поперечного перемеще-
ний, магазины-накопители порожних поддонов
и выданные конвейеры.
Машины для укладки грузов в пакеты
многообразны по кинематическим схемам и
конструкциям. Пакетоформирующие машины
бывают: стационарные и передвижные; с авто-
матическим и полуавтоматическим управлени-
ем; с верхним и нижним расположением по-
дающего механизма; для тарно-штучных и
бестарных штучных грузов; с электрическим,
гидравлическим и пневматическим приводом;
с вертикальным, горизонтальным и комбини-
рованным формированием пакета; с обвязкой и
без обвязки пакета.
На рис. 5.57 показана схема комплекса
комбинированной машины, пакетирующей и
распакетирующей ящики на поддонах произ-
водительностью 200... 1500 шт./ч. По конвейе-
ру / транспортируется поддон 2 с пакетом я щи-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СЫРЬЯ И ПОЛУФАБРИКАТОВ
229
ков. Раскладчик 3 разбирает ряды пакета, а
распакатер 4 разбирает ряд на отдельные
ящики 5, которые по конвейеру 6 направля-
ются к автомату отработки грузов. Освобож-
денные от пакетов поддоны поступают на
передаточный узел 7, где образуют магазин,
или по транспортирующим устройствам по-
даются на укладку пакетов ящиков с готовой
продукцией.
Готовая продукция, поступающая с ав-
томатов укладки по конвейеру 8 в ящиках 9,
на пакетоукладчике 10 образует стопку высо-
той 4-6 ящиков, пакетирующая машина 77 из
поступающих стопок образует на поддоне
пакет 72, который транспортируется по кон-
вейеру 13 или снимается электропогрузчиком.
Машина работает автоматически, отдель-
ные операции осуществляются лишь тогда,
когда предшествующая операция закончена.
Все операции воспроизводятся легкодоступ-
ными элементами управления. Основные узлы
машины и их движение можно контролиро-
вать. Все электрические механизмы управле-
ния собраны на пульте. В короткий срок можно
изменить условия работы машины в зависимо-
сти от типа штучного груза, его размеров, вы-
соты штабеля на поддоне, порядка укладки
грузов на поддоне и др. Предусмотрено пере-
11
Рис. 5.57. Схема комплекса
пакетоформирующей машины
ключение с автоматического управления на
ручное.
В табл. 5.25 приведена техническая ха-
рактеристика пакетоформирующих машин
(ПФМ) для грузов, имеющих форму паралле-
лепипеда.
Пакетирующие и распакетирующие ма-
шины выпускаются разнообразных систем,
типов компоновки с конвейерными устройст-
вами, регулируемыми в зависимости от разме-
ров штучных грузов, поддонов, высоты уклад-
ки и др.
5.25. Техническая характеристика ПФМ горизонтального типа
Машина Производи- тельность, шт./ч Установленная мощность, кВт Г абаритные размеры*, м Число поддонов в магазине Масса машины, т
А9-ИШБ 400 7,1 4,4 х 4,3 х 2,6 10...12 3,3
8Ш41 600 7,1 7,9 х 7,4 х 2,5 8...10 4,7
Ш1000-1 1900 3,2 5,2 х 5,1 х 1,7 - 4,12
ШМН-1 800 9,0 6,0 х 2,2 х 2,7 21 8,9
РЗВСГ 4500 12,0 6,5 х 4,5 х 2,8 - 4,2
А-1-МЛМ-14 900 2,6 4,9 х 3,0 х 2,8 - 2,0
С-4 1500 6 4,7 х 3,5 - 6,0
Джимстон «Пейлмет» 1500 - 5,0 х 6,0 8...10 -
«Роуз Бразес» 2400 - 5,0 х 2,0 х 1,8 10 -
«Лооренс Энджини- ринг» 2400 - - - -
*Длина х ширина х высота.
230
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
Лифты. Многоэтажные здания предпри-
ятий пищевой и перерабатывающей промыш-
ленности оборудуют лифтами - подъемниками^
размещенными в специальных шахтах внутри
или вне здания и предназначенными для по-
этажного подъема - опускания людей и грузов в
кабине, движущейся в жестких направляющих.
Лифты классифицируют:
по назначению - на пассажирские, грузо-
вые, грузопассажирские;
по конструкции - на шахтные, выжим-
ные, шахтные барабанные, шахтные с канато-
ведущими шкивами;
по роду привода - на электрические, гид-
равлические.
Лифты выпускают специализированные
предприятия. Габаритные и другие их основ-
ные параметры стандартизованы (ГОСТ: 5746-
83, 18988-90, 8823-85, 8824-84). Основные
данные, характеризующие устройство и прави-
ла безопасной эксплуатации лифтов, регламен-
тированы правилами Госгортехнадзора РФ.
Грузоподъемность лифтов 5 кг...5 т, ско-
рость 0,25...0,5 м/мин, размеры кабины от 900
х 650 х 1000 до 3000 х 4000 х х 2400 мм.
Наиболее известные производители лиф-
тов и лифтового оборудования в России пред-
ставлены в табл. 5.26.
Среди зарубежных производителей мож-
но отметить фирму OTIS Elevator Со., LG,
компанию BKG - производителя лифтов малой
грузоподъемности (от 5 кг), концерн Wittur,
ThyssenKrupp Elevator (Германия), компанию
Schindler (Швейцария) и др.
ОАО «Уральский лифтостроительный за-
вод» по лицензии фирмы OTIS Elevator Со.
производит лифты, соответствующие европей-
скому стандарту.
К новому складскому оборудованию от-
носятся гидравлические подъемники, имеющие
достаточно большой спектр применения
(складские комплексы, магазины, производст-
венные цеха), особенно при погрузочно-
разгрузочных работах с транспорта при подъе-
ме груза на высоту до 6 м. Для работы с пище-
выми продуктами необходима отделка поверх-
ности стола подъемника коррозионно-стойкой
сталью.
При включении электромотора приводит-
ся в действие гидравлический насос, выдвига-
ются штоки и стол поднимается на заданную
высоту. Вниз стол подъемника опускается под
собственным весом или под весом груза. Кноп-
ка управления выносится на стену или на гиб-
кий выносной шнур. Чтобы стол подъемника
остановился на нужной высоте, применяются
концевые выключатели. Стол имеет несколько
степеней защиты, например, при малейшем
соприкосновении с рамкой безопасности на
пути движения вниз стол мгновенно останав-
ливается. Грузоподъемность такой техники
колеблется от 500 кг до 5 т. Скорость подъема
зависит от высоты и грузоподъемности соот-
ветственно, а подъем занимает 30...70 с.
Выпускаемые фирмой ООО «КОНТЕ-С»
(Москва) стационарные межэтажные подъем-
ники предназначены для транспортирования
штучных грузов на высоту 2... 12 м. Подъемни-
ки изготавливаются как для работы внутри
помещений (открытые), так и снаружи (в ме-
таллическом кожухе). Размеры грузовой карет-
ки определяются в зависимости от габаритных
5.26. Предприятия-изготовители отечественного лифтового оборудования
Номенклатура выпускаемых стандартных лифтов
ОАО «Карачаровский механический завод» (г. Москва) Пассажирские г/п 400, 500, 1000 кг, грузовые г/п 500, 1000, 2000 кг
ОАО «Уральский лифтостроительный завод» (г. Екатеринбург) Грузовые (обычные, выжимные, с монорельсом, тротуарные) г/п 500, 1000, 2000, 3200, 5000 кг, пассажирские г/п 400 кг, малые грузовые г/п 100, 160, 250 кг
ОАО «Щербинский лифтостроительный завод» (Московская обл, п. Щербинка) Пассажирские г/п 400, 500, 630, 1000 кг, грузовые г/п 500,1000 кг, тротуарные г/п 500 кг, малогрузо- вые г/п 100, 240 кг
Примечание. Обозначение г/п - грузоподъемность.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СЫРЬЯ И ПОЛУФАБРИКАТОВ
231
Рис. 5.58. Стационарный
межэтажный двухстоечный подъемник
размеров транспортируемого груза и индиви-
дуальных требований заказчика. Выпускаются
двухстоечный подъемник (рис. 5.58) с полез-
ной грузоподъемностью до 400 кг и четырех-
стоечный с полезной грузоподъемностью до
800 кг и до 1200 кг.
Подъемио-траиспортиые роботы нахо-
дят все большее применение для механизации
погрузочно-разгрузочных и складских работ:
для автоматизации вспомогательных операций
складирования, загрузки конвейеров и др.
Подъемно-транспортный робот согласно ГОСТ
25686-85 - это автоматическая машина, пред-
ставляющая собой совокупность манипулятора
и перепрограммируемого устройства управле-
ния для выполнения в производственном про-
цессе двигательных управляющих функций,
заменяющих аналогичные функции человека
при перемещении предметов производства или
оснастки. По грузоподъемности (ГОСТ25204-
82) подъемно-транспортные роботы подразде-
ляют на сверхлегкие (до 1 кг), легкие (1...
10 кг), средние (10... 200 кг), тяжелые
(200... 1000 кг) и сверхтяжелые (более 1000 кг).
5.5.5. УСТРОЙСТВА НЕПРЕРЫВНОГО
ТРАНСПОРТА ДЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ
НАСЫПНЫХ И ШТУЧНЫХ ГРУЗОВ
Классификация и область применения.
Из всех видов непрерывного транспорта наи-
большее применение в пищевой и перерабаты-
вающей промышленности для перемещения
насыпных и штучных грузов получили конвей-
еры. Они бывают с тяговым (ленточным, цеп-
ным, канатным) органом и без него. По на-
правлению перемещения груза конвейеры мо-
гут быть с горизонтальной, наклонной, верти-
кальной и сложной пространственной трассой.
Конвейеры являются неотъемлемой ча-
стью современного технологического процес-
са, они устанавливают и регулируют темп про-
изводства, обеспечивают его ритмичность,
способствуют повышению производительности
труда и увеличению выпуска продукции. Наря-
ду с выполнением транспортно-технологи-
ческих функций конвейеры являются основой
комплексной механизации и автоматизации
погрузочно-разгрузочных и складских опера-
ций.
Тесная связь конвейеров с общим техно-
логическим процессом обусловливает высокую
ответственность их работы и назначения. По-
этому они должны быть надежными (безотказ-
ными), прочными, удобными в эксплуатации и
способными работать в автоматических режи-
мах.
Перемещаемые конвейерами грузы под-
разделяются на штучные и насыпные. Их фи-
зико-механические свойства имеют решающее
значение при выборе и расчете конвейеров.
В ряде случаев одна и та же транспортная
операция может быть выполнена различными
конвейерами.
При решении задачи рационального вы-
бора типа конвейера, обеспечивающего наи-
больший технический и экономический эффект
в пищевой промышленности, необходимо учи-
тывать следующие факторы:
свойства транспортируемых грузов;
расположение аппаратов, пунктов загруз-
ки и разгрузки, а также расстояний между ними;
потребную производительность машин и
аппаратов;
требуемую степень автоматизации произ-
водственного процесса, обслуживаемого про-
ектируемой транспортной установкой;
способ хранения груза в пункте загрузки
(в бункерах, штабелях и т.п.) и характеристику
устройства, принимающего груз (конвейер,
бункер, технологический аппарат и т.п.);
характеристику места установки конвей-
ера (в отапливаемом или неотапливаемом по-
мещении, на открытой местности);
размеры пространства, отводимого под
транспортирующую установку;
232
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
конфигурация трассы;
особые факторы, вызванные спецификой
обслуживаемого установкой производства (не-
допустимость пыления, шума);
возможность частого изменения трассы
транспортирования или системы адресования;
требования техники безопасности и др.
Характерные типы конвейеров в зависи-
мости от производительности, области приме-
нения, перемещаемого груза, транспортно-
технологических функций приведены в табл.
5.27.
Ленточные конвейеры (рис. 5.59) явля-
ются наиболее распространенными устройст-
вами непрерывного транспортирования раз-
личных насыпных и штучных грузов в пище-
вой и перерабатывающей промышленности.
Несущим и тяговым элементом ленточного
конвейера является бесконечная гибкая лента,
опирающаяся верхней 3 и нижней 2 ветвями на
роликовые опоры 4 и огибающая на концах
конвейера приводной 6 и Натяжной 1 барабаны.
Для увеличения тяговой способности (угла
обхвата) устанавливается прижимной барабан
5. У коротких конвейеров, часто используемых
для перемещения штучных грузов, рабочая
ветвь ленты может скользить по деревянному
или металлическому настилу. Необходимое
натяжение ленте создается натяжным устрой-
ством винтового типа. Груз подается на ленту
через загрузочную воронку или лоток. Разгруз-
ка может быть концевой или промежуточной,
для чего используют плужковые сбрасыватели
(рис. 5.60).
Конвейерные ленты выбирают по
ГОСТ 20-85 в зависимости от условий работы
и свойств груза.
Унифицированный параметрический и
типоразмерный ряд оборудования стационар-
ных ленточных конвейеров общего назначения
с резинотканевой лентой соответствует
ГОСТ 22644-77 (табл. 5.28). Характеристика
передвижных и стационарных ленточных кон-
вейеров приведена в табл. 5.29.
5.27. Назначение и характеристика конвейеров в пищевой промышленности
Тип конвейера Основные параметры Назначение
Производи- тельность, Q, т/ч ДлинаL (высота //), м Скорость, г, м/с
1 2 3 4 5
Ленточный 10...500 5...100 0,25... 2,0 Межцеховой и внутрицеховой транспорт мелкокусковых насыпных грузов по горизонтальным и на- клонным трассам. Погрузочно- разгрузочные операции с насыпны- ми и штучными грузами
Пластинчатый 10...100 4...6 0,05... 1,0 Внутрицеховое транспортиро- вание крупнокусковых и штучных грузов по горизонтальным и на- клонным трассам (известняк, и т.д.)
Скребковый 5...80 5...30 0,05...0,8 Внутрицеховое транспортиро- вание мелкокусковых, порошкооб- разных и пылеобразных малоабра- зивных насыпных грузов (карбид кальция, известь, соль, сахар, каль- цинированная сода, и т.д.) по гори- зонтальным, крутонаклонным и сложным пространственным трас- сам
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СЫРЬЯ И ПОЛУФАБРИКАТОВ
233
Продолжение табл. 5.27
1 2 3 4 5
Двухленточный, с трубчатой и специальными лентами (с выступами. перегородками и ячейками) 10...200 5...50 0,25... 5,0 Внутрицеховое транспортиро- вание и погрузочно-разгрузочные операции с мелкокусковыми, по- рошкообразными насыпными гру- зами (зерно, мука, удобрения, отру- би, сода, крупа, калийная соль и т.д.) по крутонаклонным и верти- кальным трассам
Ковшовый г ф = ф 5...30 20... 60 0,10...0,3 Внутрицеховое перемещение хорошо сыпучих сухих грузов по горизонтально-вертикальной трассе
Эле ч !ВЕ > ггор 5...100 4...40 0,1...5,0 Внутрицеховое перемещение сухих порошкообразных и мелко- кусковых и пылевидных сухих на- сыпных грузов по вертикальным и крутонаклонным трассам
Винтовой 4...30 3...10 0,02...0,1 Внутрицеховое перемещение сухих порошкообразных и мелко- зернистых насыпных грузов по го- ризонтальным, наклонным и верти- кальным трассам
Вибрационный 777777777777777777777777777* * 5...100 5...30 0,1...5,0 Внутрицеховое транспортиро- вание насыпных грузов в гермети- чески закрытых трубах с совмеще- нием технологических операций (сушка, смешивание, охлаждение и т.д.) по горизонтальным и редко по вертикальным трассам
234
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
Продолжение табл. 5.27
1 2 3 4 5
Грузоведущие и подвесные .-ла A.L Го о тхтхтг h й и h 5...100 10...100 0,01...0,5 Межцеховое, внутрицеховое и складское перемещение тарно- штучных грузов по горизонтальным, наклонным и сложным пространст- венным трассам
Вертикальные цепные 5...200 4...40 0,05... 0,5 Межэтажное внутрицеховое и внутрискладское транспортирование штучных и пакетированных грузов по вертикальным и горизонтально- вертикальным трассам
Рис. 5.59. Схемы леиточиых конвейеров:
а - горизонтального; б, в- горизонтальных наклонных;
г - с промежуточной разгрузкой с помощью сбрасывающей техники
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СЫРЬЯ И ПОЛУФАБРИКАТОВ
235
а) б)
Рис. 5.60. Плужковые сбрасыватели:
а - двухстороннего действия; б - одностороннего действия
5.28. Ряды значений параметров ленточных конвейеров для пищевой промышленности
Параметр Принятый ряд значений
Ширина ленты, мм Скорость движения ленты, м/с Диаметр, мм: барабана ролика 300; 400; 500; 650; 800 0,4; 0,5; 0,63; 0,8; 1.0; 1,25; 1,6; 2,0; 2,5 160; 200; 250; 315; 400; 500 63; 89; 108; 133
5.29. Техническая характеристика стационарных и передвижных ленточных конвейеров
Параметры Условный тип конвейера
1 11 III IV V VI VII
Производительность, т/ч 100 80 90 90 70 70 270
Длина конвейера, м - - 10 15 40 80 20
Скорость движения ленты, м/с 1,25 1,0 1,6 1,6 1.6 1,6 1,6
Ширина ленты, мм 500 500 500 500 500 500 650
Высота разгрузки, м - - 3,8 5,5 15 7 -
Мощность привода, кВт 5,5 2,2 2,2 4.0 5,5 7,5 -
Диаметр приводного барабана, мм 160; 250; 400; 500
Режимы работы конвейера определяются
классами использования его по времени и про-
изводительности [19, 21]. Условия работы
конвейера характеризуются производственны-
ми условиями окружающей среды. Принято
четыре группы производственных условий:
легкие (Л), средние (С), тяжелые (Т) и весьма
тяжелые (ВТ), характеристики которых приве-
дены в табл. 5.30 и 5.31. Проектная схема кон-
вейера должна быть максимально простой,
прямолинейной и без лишних перегибов.
В табл. 5.32 приведены максимальные уг-
лы наклона стационарных ленточных конвейе-
ров для ряда насыпных грузов пищевой про-
мышленности. При равномерной непрерывной
загрузке конвейеров указанные значения мож-
но увеличить на 2...3°, а для передвижных и
переносных конвейеров их следует уменьшить
на 5... 10 %. При транспортировании штучных
грузов углы наклона ленты выбираются по
табл. 5.33.
236
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
5.30. Условия работы конвейера
Режим Характеристика
Легкий (Л) Чистое, сухое, отапливаемое, хорошо освещенное поме- щение; отсутствует абразивная пыль; конвейер доступен для обслуживания, осмотра и ремонта
Средний (С) Отапливаемое помещение; небольшое количество абра- зивной пыли; временами влажный воздух; средние осве- щенность и доступность для обслуживания
Тяжелый (Т) Работа в неотапливаемом помещении и на открытом воз- духе; возможны большое количество абразивной пыли, повышенная влажность воздуха; плохие освещенность и доступность для обслуживания
Весьма тяжелый (ВТ) Очень пыльная атмосфера и наличие факторов, вредно влияющих на работу конвейера
5.31. Параметры, определяющие условия работы конвейера
Параметр Условия работы
легкие средние тяжелые весьма тяжелые
Время работы в сутки, ч До 6 6...12 12...18 Св. 18
Свойства груза: насыпная плотность, т/м3 » 0,6 0,6...1,1 1,1..2,0 » 2,0
размер куска, мм » 20 20... 60 60... 160 » 160
Абразивность и коррозионность Нет Слабая Средняя Сильная
Влажность воздуха, % До 50 50...65 65...90 Св.90
Запыленность воздуха, мг/м3 » 10 10...100 100...150 » 150
Температура окружающей среды, °C +5. ..+25 0...+30 -20...+30 -40...+40
5.32. Характеристика насыпных грузов
Транспортируемый груз Плотность р, т/м3 Угол естественного откоса Наибольший допускае- мый угол наклона конвейера р,...°
1 2 3 4
Зерно (рожь, пшеница) 0,7...0,8 20...25 16
Картофель (клубни) 0,6...0,8 26...30 12
Кукуруза:
в зернах 0,7...0,8 32...36 15
в початках 0,5... 0,6 35 16
Ржаная мука, отруби 0,5...0,6 52...56 15
Поваренная соль
зернистая 1,0...1,2 42...46 18
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СЫРЬЯ И ПОЛУФАБРИКАТОВ
237
Продолжение табл. 5.32
1 2 3 4
Апатитовый концентрат 1,7...1,8 30... 40 16
Мелкий известняк 1,3...1,6 35...40 16
Минеральные удобрения 1,0...2,0 35...40 15
Гранулированный суперфосфат из апатита 1,0...1,1 43...46 20
Гранулированная сера 1,2...1,4 42...45 18
Калийная соль 1,0...1,2 42...46 18
Сухой щебень 1,5...1,8 35...45 18
Фосфатная мука 1,1...1,8 37...45 12
Порошкообразный глинозем 0,9...1,8 33...36 12
5.33. Наибольшие допустимые углы наклона конвейера с прорезиненной лентой
при транспортировании штучных грузов,...°
Грузы Лента
гладкая рифленая
Ящики:
деревянные 15...17 20
металлические 12...15 22
Картонные коробки 14...16 25
Мешки:
льняные и джутовые 18...20 32
бумажные 15...17 31
Выбор скорости ленты производится с
учетом условий эксплуатации конвейера, ха-
рактеристики транспортируемого груза, шири-
ны ленты, назначения и месторасположения
конвейера, способа загрузки и разгрузки его
и т.д. Выбранная скорость ленты должна
соответствовать приведенной в ГОСТ 22644-77,
обеспечивать сохранность груза и наибольшую
долговечность ленты и роликовых опор кон-
вейера. Наибольшая скорость ленты при раз-
грузке через головной барабан в зависимости
от транспортируемого груза выбирается из
приведенных ниже значений, м/с.
Легкосыпучие и порошкообразные сухие.......
Зерновые (рожь, пшеница и т.п.)............
Овощи, фрукты, корнеплоды..................
Штучные грузы (коробки, ящики, мешки с мукой)
1,0...1,2
1,5...3,0
0,8...1,0
0,5...1,0
При транспортировании большинства
грузов, в том числе пищевых (капусты, свеклы,
картофеля, зерна, муки и др.) применяются
ленты общего назначения. Для пищевых про-
дуктов, не подвергающихся перед употребле-
нием очистке или термической обработке (на-
пример, сливочного масла, творога и т.п.) и
непосредственно соприкасающихся с лентой
(без упаковки и тары), должны применяться
пищевые ленты (ГОСТ 20-85, ТУ 38 305 105-97,
ТУ 38 305 103-96 и др.). Размеры лент по
ГОСТ 20-85 следующие: ширина от 100 до
3500 мм; длина до 200 м; толщина от 5 до
30 мм.
238
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
Пример обозначения ленты:
2 М-1200-4-ТК-200-5-2-М-РБ-ГОСТ 20-85
2 - условия эксплуатации (1 - тяжелые и
очень тяжелые, 2 - средние, 3 и 4 - легкие);
М - назначение: без указания - общего
назначения (температура окружающего возду-
ха от -45 до +60 °C),
М - морозостойкая (температура окру-
жающего воздуха до -60 °C);
Т - теплостойкая (транспортирует мате-
риалы с температурой до +100 °C);
Ш - трудновоспламеняющаяся (для экс-
плуатации при температуре от -25 до +60 °C);
П - пищевая (транспортирует пищевые
продукты температурой не выше +80 °C при
температуре окружающего воздуха от -40 до
+60 °C);
ПМ- пищевая маслостойкая;
ГГГУК - улучшенного качества повышен-
ной теплостойкости (транспортирует грузы с
температурой до 200 °C и кокс, содержащий
куски красного каления при температуре ок-
ружающего воздуха от -10 до +60 °C);
МСТ- маслобензостойкая;
1200- ширина;
4 - число слоев ткани;
ТК-200 - тип ткани (БКНЛ-65, ТК-100,
ТК-200, ТК-300);
5-2 - толщина рабочей и нерабочей об-
кладки;
М- класс резины;
РБ - вид борта (РБ - резиновый борт,
НБ - нарезной борт).
При транспортировании насыпных грузов
необходимая ширина ленты определяется по
расчетной производительности с учетом усло-
вий полного отсутствия просыпания груза с
ленты в процессе движения
b = 0,9Л,
где В - полная ширина ленты; b - рабочая ши-
рина ленты.
Исходя из заданной или расчетной произ-
водительности конвейера определяют необхо-
димую ширину ленты (в м):
\QnKa
В= . £- + 0,05, (5.53)
V K„vp
где Qn - массовая производительность, т/ч;
Кп - коэффициент типа роликовых опор [3];
Х'р - коэффициент угла наклона конвейера
[3]; V - скорость ленты; р - плотность насып-
ного груза.
Для приближенного выбора ширины лен-
ты по заданной производительности можно
использовать данные, приведенные в табл. 5.34.
5.34. Производительность горизонтального ленточного конвейера при скорости v = 1 м/с
Ширина Угол откоса Объемная производительность, м3/ч, при роликовых опорах
прямая желобчатая, трехроликовая
ленты, мм груза в движении ч>, ...° Угол желобчатости, аж,...°
0 20 30 45
400 10 16 33 46 55
15 23 45 52 60
20 32 53 60 68
500 10 25 63 77 92
15 38 75 88 100
20 52 88 100 ПО
650 10 45 115 139 167
15 70 135 160 184
20 95 160 181 200
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СЫРЬЯ И ПОЛУФАБРИКАТОВ
239
Лента может опираться на ролики,
сплошной настил из листовой стали, гладких
деревянных досок, пластмассовых пластин, а
также на комбинированные опоры, состоящие
из чередующихся роликовых опор и настила.
Сплошной и комбинированный настилы при-
меняют для транспортирования штучных гру-
зов и для насыпных легких сильно пылящих
грузов, требующих перемещения в закрытом
желобе.
Окружная сила (сила тяги) на приводном
барабане:
=5нб ~5сб =*$сб[ехр(ца)-1], (5.54)
где 5нб - натяжение ленты, набегающей на
приводной барабан; Scq - натяжение ленты,
сбегающей с приводного барабана; ц - коэф-
фициент сцепления; а - угол обхвата барабана.
По расчетной окружной силе определяет-
ся мощность электродвигателя, Вт:
/V = Л3РГ0^/т|, (5.55)
где к3 = 1,10... 1,2 - коэффициент запаса; г| -
общий КПД привода; V - скорость ленты.
Конвейеры со стальной цельнопрокат-
ной лентой применяются для транспортирова-
ния насыпных и штучных грузов по горизон-
тальной, наклонной и комбинированной трассам:
при повышенной температуре окружаю-
щей среды и транспортируемых грузов;
по требованиям санитарии и отсутствия
запаха;
при транспортировании липких и тесто-
образных материалов;
для сушильных, охладительных и моеч-
ных установок.
Стальную конвейерную ленту изготовля-
ют шириной 400; 500 и 600 мм, толщиной 0,8 и
1,0 мм, массой 1 м 2,5; 3,1; 3,9; 4,7 кг. Скорость
движения стальной ленты обычно не превыша-
ет 1,25 м/с, а в технологических установках она
определяется условиями технологического
процесса и ограничивается 0,1...0,5 м/с. Про-
изводительность конвейера определяется так
же, как и для плоской ленты на прямых роли-
ковых опорах.
Конвейеры с проволочно-сетчатыми
лентами применяются для транспортирования
штучных грузов - в печах для выпечки хлебо-
булочных и кондитерских изделий, в моечных,
сушильных, охладительных и других техноло-
гических установках. Проволочная лента вы-
годно отличается от стальной цельнопрокатной
ленты большей гибкостью и разнообразием
материалов. Ее можно изготовлять не только из
стальной проволоки, но и из проволоки любого
другого материала в зависимости от эксплуа-
тационных условий. Большая гибкость прово-
лочной ленты позволяет применять ее на кон-
вейерах с барабанами такого же диаметра, что
и для прорезиненной ленты. Проволочные лен-
ты изготовляют плетеными и шарнирно-звень-
евыми. Последние благодаря высокой прочно-
сти получили повсеместное применение. Сор-
тамент шарнирно-звеньевых лент из углерод-
ных сталей марок 20 (спираль) и 30 (стержень)
следующий:
ширина 400; 500; 650; 800; 1000 мм;
два типа плотности навивки спирали;
диаметр проволоки: спирали 2; 2,5; 3 мм;
стержня 3,5; 4; 5 мм;
шаг: спирали 6; 8; 10; 12 мм; стержня 25;
32; 40 мм;
масса 1 м 5; 6,2; 7,3; 10,7; 12,4; 26,5 кг;
диаметр барабана 400; 500; 650; 800 мм.
Допускаемое натяжение ленты по проч-
ности проволоки спирали диаметром dn на
разрыв при стержне диаметром t/CT = 1,5 dn
определяется по формуле
В ?
5Д =0,156 — d^ Rz, (5.56)
kt
где dn - диаметр проволоки спирали; Rz -
допускаемое напряжение на разрыв: для стали
марок 15 и 20 Rz = 50•106 Па; к - коэффици-
ент учета напряжения изгиба в криволинейных
частях спирали; к = 2...2,5: t - шаг витков
спирали.
Для стальных и проволочных лент при-
меняют прямые роликовые опоры или сплош-
ной настил. Привод и натяжное устройство
обычного типа. Минимальный диаметр бара-
бана Dmjn >12ZCT, где ZCT - шаг стержней.
Скорость движения - не выше 1,25 м/с. Произ-
водительность и тяговый расчет определяются
обычным методом.
Пример. Наклонно-горизонтальный ленточ-
ный конвейер (рис. 5.61) производительностью
Q = 400 т/ч (111 кг/с) предназначен для транспорти-
ровки несортированного известняка с объемной
насыпной массой 1600 кг/м3. Максимальный размер
куска ятах = 70 мм, в общей массе материала со-
240
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
держится до 10% таких кусков. Длина наклонного
участка конвейера L\ = 24 м, горизонтального Ь2 =
= 20 м, высота подъема груза Н = 4 м. Конвейер
установлен в закрытом неотапливаемом помещении,
привод находится в конце горизонтального участка
Разгрузка осуществляется плужковым сбрасывате-
лем, установленным непосредственно перед привод-
ным барабаном.
Принимаем (учитываем наличие плужкового
разгрузчика): скорость движения ленты v = 1,25 м/с,
угол естественного откоса материала в движении 35°,
для груженой ветви - желобчатую трехроликовую
опору с углом наклона боковых роликов 30° [19,21].
Угол подъема наклонного участка конвейера:
Р = arcsin Я/£] =9° 35'
Размер типичного куска транспортируемого
рядового материала: а = 0,8атах = 0,056 м.
Ширина ленты конвейера по формуле (5.53)
В = 0,72 м с учетом Хр = 1 и Кп =0,153:
Исходя из характеристики груза выбираем
конвейерную ленту общего назначения типа 2 шири-
ной В = 800 мм, объемной массой рл =1120 кг/м3
(лента Л2-800-4Б-820-3-1, ГОСТ 20-85) и пределом
прочности прокладок ленты к? = 550 Н/м. Толщина
ленты
8 = 8р+йпр+§Н’ (557)
где 8р - толщина резиновой обкладки с рабочей
стороны; i - число прокладок; 8пр - толщина про-
кладки из бельтинга; 8Н - толщина обкладки с нера-
бочей стороны.
Необходимое число прокладок находится ис-
ходя из допускаемой нагрузки на одну прокладку
максимальной силы тяги. Для этого определим ряд
величин.
Сопротивление движению поступающего груза
= Qv = 140 Н.
Сопротивление от бортов загрузочного лотка
Wn = 50/, где / - длина бортов загрузочного лот-
ка. При / = 2 м №л =100 Н.
Линейная нагрузка от массы груза q =
-Qg/v = 890 Н/м;
Линейная нагрузка от массы ленты
9л=Рл^. (5.58)
Принимаем расстояние между роликовыми
опорами рабочей и холостой ветви конвейера соот-
ветственно /р = 1,3 м и /х = 2,5 м. Для выпуклых
участком трассы расстояние между роликовыми
опорами принимаем равным 1/2 расстояния между
роликовыми опорами для прямолинейных участков
трассы, т е 0,65 м для груженой и 1,25 м для холо-
стой ветви конвейера, масса вращающихся частей
желобчатой роликоопоры /ир - 22 кг.
Линейная нагрузка от массы вращающихся
частей роликовых опор на груженой qp и холостой q*
ветвях конвейера соответственно <?р = wpg//p =
= 170 Н/м, qx = mxg/lx = 88 Н/м.
Линейная нагрузка от движущихся частей кон-
вейера:
Як ~ ^Ял + Ях + Яр (5.59)
Коэффициент сопротивления роликовых опор
принимаем равным w = 0,04, коэффициент, учиты-
вающий конкретные отличительные признаки кон-
вейера, принимаем равным км = 1,14.
Длина проекции конвейера на горизонтальную
плоскость Lr = cos Р + L2 = 49,7 м.
Сопротивление плужкового разгрузчика И^р =
= 3,5^ = 2500 Н.
Примем коэффициент сцепления между проре-
зиненной лентой и стальным барабанам для влажной
атмосферы ц = 0,25 , а угол обхвата барабана лентой
а = 200°.
Необходимое число прокладок ленты
где nQ - номинальный запас прочности конвейерной
ленты; п0 = 9 .
Требуемый диаметр приводного барабана
£>пб^ш’’ (5.61)
где а = 125 мм - коэффициент.
Диаметр натяжного барабана
Л.6 =°>8£>пб- (5.62)
Длина приводного и натяжного барабана при-
нимается на 150 мм больше ширины ленты.
Разобьем конвейер на отдельные участки, про-
нумеровав их границы так, как показано на рис. 5.61.
Определим натяжения ленты в отдельных точ-
ках конвейера методом обхода по контуру. Обход
начинаем с точки /, натяжение в которой Опреде-
лим натяжение в каждой точке.
52 =5^п, (5.63)
где &п = 1,03 - коэффициент сопротивления при оги-
бании отклоняющего барабана при угле обхвата 90°;
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СЫРЬЯ И ПОЛУФАБРИКАТОВ
241
Рис. 5.61. Схема расчета наклонно-горизонтального ленточного конвейера
S3 = S2 +(<7Л +9x)£2-3w; (S.64)
S4 = S3k , (5.65)
где к = 1,03 - коэффициент сопротивления движе-
нию при движении по роликовым опорам (при угле
обхвата а = 1,06 рад).
S5 = s4+(<7Л+<7Х )£4_5 (wcosp-sinp) ; (5.66)
56=55*п; (5.67)
S’7=VT> (5.68)
где fcj = 1,05 - коэффициент сопротивления при
огибании натяжного барабана при угле обхвата 180°;
,S’8 = S7 + W„ + ; (5.69)
S9 = S s + (q + q„+-qpywLr + H). (5.70)
$10 = *$9^p ’ (5.71)
где Ap = 1,04 - коэффициент сопротивления при
огибании батареи роликовых опор.
•$п = •$ ю+(^ + ^л + %) wAo-i 1; (5-72)
*$12 = S11 +^ПР- (5.73)
Совместное решение (5.54) и (5.57) - (5.73) при
условии, что = 5сб и S|2 - , дает / = 3,82 .
Принимая целое число прокладок i = 4,
окончательно получим Si = 7800 Н; S2 - 8000 Н;
S3 = 8180 Н; S4 = 8540 Н; S5 = 8000 Н; S6= 8250 Н;
S7 = 8630 Н; S8 = 8870 Н; S9 = 14430 Н; S10 =
= 15000 Н; = 16200 Н; $12 = 18700 Н;
Рпб -500 мм; £>нб =400 мм; 8 = 10 мм; РК0 =
= 10900 Н. Диаграмма натяжения ленты приведена
на рис. 5.62.
КПД приводного барабана
Лбяп =--------------= 0,91,
Лба₽ 1 + 1F6(2AS-1)
где =0,04 - коэффициент сопротивления бара-
бана.
Мощность электродвигателя
FKfAo
N = —2-2- = 16900 Вт,
л
’бар ’ред
к3 =1,1 - коэффициент запаса; т|ред =0,96 -
КПД редуктора.
Выбираем электродвигатель типа А02-71-6
номинальной мощностью N = 17 кВт при частоте
вращения п = 970 мин ’.
Рис. 5.62. Диаграмма натяжения ленты
242
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
Частота вращения приводного барабана
^бар =------~ 0’ 79$ с * мин ’)•
71 £>пб
Передаточное число привода
^бар 60
Выбираем редуктор типоразмера Ц2-300 с пе-
редаточным числом /ф =19,83, рассчитанного на
мощность 20,6 кВт и частотой вращения 1000 мин1
или 16,6 с-1 на быстроходном валу.
Уточняем скорость ленты:
« = ’1£*пб"дв/'ф =1,28 м/с.
Фактическая производительность конвейера
Q = kn (0,9В-0,05)2 =140 кг/с (505 т/ч).
Крутонаклонные конвейеры* предна-
значены для транспортирования насыпных и
штучных грузов под углами, превышающими
*
В написании этого раздела использовались
материалы Н.А. Зелинского и Г.Я. Клинджанса.
максимальные (критические) углы, при кото-
рых груз, находящийся на гладком грузонесу-
щем полотне, еще не имеет гравитационного
перемещения. Груз удерживается на грузоне-
сущем элементе путем повышения коэффици-
ента сцепления с поверхностью полотна, уве-
личением давления груза на грузонесущее по-
лотно и созданием подпора груза на грузоне-
сущем полотне.
Сила сцепления транспортируемого ма-
териала с поверхностью ленты может быть
увеличена путем создания более шероховатой
поверхности. Рифленые ленты предназначены
для транспортирования штучных и, реже,
насыпных грузов в пределах угла естественно-
го откоса 30...35°. Грузы в жесткой упаковке
(пакетах, ящиках, коробках и др.) могут транс-
портироваться рифлеными лентами под уг-
лом 45°.
Ленты с выступами нашли широкое при-
менение за рубежом (табл. 5.35). Высота вы-
ступов колеблется в пределах 5...25 мм, шири-
на лент 400...900 мм. В России разработаны
конструкции лент с выступами шириной 400;
5.35. Техническая характеристика специальных лент, применяемых за рубежом
Фирма-изготовитель Ширина ленты, мм Высота планок, мм Расстояние между планками, мм Предель- ный угол наклона, о Максимальный размер куска транспорти- руемого материала, мм Тип
Континенталь (Германия) 400... 800 15 200... 400 30 50...150 Трехроликовая с углом наклона боковых роли- ков 20°; двухро- ликовая с углом наклона 45°
Данлоп (Велико- британия) 600... 700 25 200 25 225 Трех- и двухро- ликовая
Жако, Бержено Ко (Франция) 400... 800 ’ 10 250 30 10
Бриджестон Тайр Ко (Япония) 400...450; 300... 400; 500... 900 3,2; 3,5; 4,8 200...400 22...24 40
Фредештайн (Нидерланды) 500... 600 10 300 45...50 250
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СЫРЬЯ И ПОЛУФАБРИКАТОВ
243
Рис. 5.63. Формы выступов конвейерных лент:
а - типа «елочки» с продольными боковыми ребрами;
б - с разрезом для изгиба на трехроликовой опоре; в - овальной формы с боковыми ребрами
500; 650; 800; 1000 и 1200 мм. Конструктивную
основу представляет обычная стандартная лен-
та, на рабочей поверхности которой методом
горячей вулканизации в пресс-форме сделаны
выступы высотой 8... 10 мм (рис. 5.63).
Для увеличения угла подъема конвейера
до 60...70° применяются конвейерные ленты с
перегородками - поперечными выступами вы-
сотой 50...300 мм самых разнообразных конст-
рукций (рис. 5.64). Ленты с перегородками
подразделяются на плоские, угловые и лотко-
вые. Шаг перегородок по длине ленты прини-
мается равным 300...600 мм.
В Германии изготовляют ленты ячейко-
вой конструкции нескольких типоразмеров в
зависимости от высоты перегородки, числа
продольных планок и ширины ленты (табл.
5.36). Фирма Континенталь (Германия) выпус-
кает ленты четырех типоразмеров шириной
500; 600; 800 и 1000 мм с двумя треугольными
перегородками и ленты трех типоразмеров
шириной 1000; 1200 и 1400 мм с тремя перего-
родками. Эти ленты в зависимости от прида-
ваемой им формы желобчатости способны
транспортировать насыпные грузы при углах
наклона конвейера до 70°.
Увеличение угла наклона ленточного
конвейера обычной конструкции возможно при
помощи второй ленты 2, которая, проходя па-
раллельно несущей ветви рабочей ленты /, соз-
дает необходимое давление на 1руз, увеличи-
вая его сцепление с лентой (рис. 5.65). К
достоинствам двухленточных конвейеров сле-
дует отнести возможность транспортирования
Рис. 5.64. Конвейерные ленты с перегородками:
а - угловые; б - лотковые
материала под углом до 90°, высокую скорость
движения, независимость производительности
от угла наклона и возможность герметичного
транспортирования насыпных грузов, что име-
ет особое значение при перемещении пылящих
материалов. Двухленточные конвейеры успеш-
но эксплуатируются на предприятиях пищевой
промышленности для транспортирования на-
сыпных и штучных грузов. Их производитель-
ность составляет свыше 500 единиц/ч, а угол
наклона 40...90°. За рубежом применяются
несколько разновидностей конвейеров с при-
жимными лентами, имеющими на рабочей
поверхности укрепленный (привулканизиро-
ванный) слой легко сжимаемого материала
(губки, поролона и др.). Эти конвейеры широко
применяют при транспортировании хрупких
малогабаритных грузов.
244
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
5.36. Техническая характеристика лент ячейкового типа
Тип ленты Общая ширина Полезная ширина ленты Высота поперечных перегородок Высота продол ьны,х перегородок Максимальный угол наклона, ...°
мм
КЛ-40 310...1040 40 50 50
КЛ-60 400... 1200 280...980 62 70 50
КЛ-90 270...990 90 93 60
Рис. 5.65. Крутонаклонный
двухленточный конвейер:
а - принципиальная схема; б - варианты
герметичного рабочего сечения
Применение в конвейерах трубчатой лен-
ты (рис. 5.66) позволяет значительно увеличить
угол наклона. Принцип работы трубчатых кон-
вейеров, основанный на увеличении давления
между грузом и лентой, заключается в том, что
непрерывно подаваемый на плоскую часть
ленты насыпной груз увлекается ею и обжима-
ется при сворачивании ленты в трубу.
Достоинствами конвейеров с трубчатой лентой
является герметичность перемещения груза,
простота конструкции и высокая скорость
транспортирования. Существуют самые раз-
личные конструкции соединения краев лент в
трубу: клиновые, типа застежки «молния»,
магнитные, роликовые, обжимные оболочки с
воздушной подушкой.
Расчетная производительность крутона-
клонного и вертикального конвейера при
транспортировании насыпного груза
Q = kykrkuFvp,
где ку , кг, АГ1 - коэффициенты производи-
тельности, учитывающие угол наклона, гео-
метрическую форму и конструктивные особен-
ности грузонесущего полотна [27]; F - площадь
поперечного сечения насыпного груза; V - ско-
рость перемещения груза; р - насыпная плот-
ность груза.
Особенности расчета крутонаклонных
конвейеров со специальными лентами, двух-
ленточных и с трубчатой лентой рассмотрены в
[21,22].
Пластинчатые конвейеры (рис. 5.67)
применяют для транспортирования в горизон-
тальном и наклонном направлениях различных
насыпных и штучных грузов в пищевой, пере-
рабатывающей и других отраслях промышлен-
ности. Одновременно с транспортированием,
грузы-изделия могут подвергаться технологи-
ческим операциям: охлаждению, мойке, сушке,
контролю и др.
Рис. 5.66. Конвейер с трубчатой лентой:
а - общий вид; б - рабочие сечения
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СЫРЬЯ И ПОЛУФАБРИКАТОВ
245
2
Рис. 5.67. Пластинчатый конвейер:
1 - натяжное устройство; 2 - загрузочная воронка; 3 - тяговые цепи; 4 - настил; 5 - станина;
6 - направляющие рельсы; 7- приводная звездочка
Преимуществами пластинчатых конвейе-
ров по сравнению с ленточными являются:
большая приспособленность для транс-
портирования крупнокусковых, острокромоч-
ных, горячих и других подобных грузов, вызы-
вающих повреждение лент;
работоспособность как при нормальных,
так и при высоких или низких температурах;
возможность транспортирования более
широкого ассортимента насыпных, навалочных
и штучных грузов;
большое разнообразие трасс транспорти-
рования (включая горизонтально замкнутые и
пространственные с более крутыми подъемами
и меньшими радиусами переходов с одного
направления на другое, что обеспечивает ком-
пактность конвейеров и уменьшение до мини-
мума потерь производственных площадей на
участках подъема);
возможность установки промежуточных
приводов (что практически не решено для кон-
вейеров других типов), обеспечивающих бес-
перегрузочное транспортирование на дальние
расстояния;
большая площадь сечения груза на по-
лотне (при лотковой форме настила) и высокая
производительность при относительно не-
большой скорости движения;
возможность выполнения настила со спе-
циальными устройствами для крепления грузов
с учетом использования конвейеров в техноло-
гических поточных линиях;
Ширина настила ходовой части, мм
Высота борта (внутренний размер), мм
Шаг тяговой цепи, мм
Число зубьев звездочек
Скорость движения ходовой части, м/с
Номинальная производительность, м3/ч
возможность загрузки непосредственно
из бункера (без специальных питателей), обео-
печиваемая конструкцией полотна и малой
скоростью его движения.
К недостаткам пластинчатых конвейеров
относятся:
большая масса, сложность изготовления и
высокая стоимость ходовой части (пластинча-
тый настил с цепями);
меньшая скорость движения полотна по
сравнению со скоростью ленточных конвейе-
ров;
сложность промежуточной разгрузки
конвейеров с бортовым настилом;
усложнение эксплуатации из-за большого
числа шарнирных соединений, требующих
постоянного наблюдения и ухода (очистки,
смазывания) и подверженных повышенному
износу;
сложность замены изношенных катков;
значительно большие сопротивления
движению (по сравнению с ленточными кон-
вейерами, в связи с большей собственной мас-
сой несущего полотна).
Наиболее широкое применение получили
стационарные вертикально замкнутые конвей-
еры с прямолинейными трассами - конвейеры
общего назначения.
Основные параметры стационарных пла-
стинчатых конвейеров общего назначения при-
ведены ниже.
400; 500; 650; 800;. 1600
80; 100; 125; 160; 200;. 500
80; 100; 125; 160; 200;. 800
6; 7; 8; 9; 10; 11; 12; 13
0,01; 0,04; 0,08; 0,10; 0,20; 1,00
10; 25...40; 100...500; 2000
246
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
В стандартных пластинчатых конвейерах
общего назначения тяговым элементом служат,
как правило, тяговые цепи (ГОСТ 588-81).
Большинство конвейеров выполняют с двумя
тяговыми цепями, и только легкие конвейеры
шириной до 400 мм имеют одну тяговую цепь.
В специальных конвейерах легкого типа,
применяемых в пищевой промышленности для
транспортирования штучных грузов с шириной
настила 80...200 мм, цепь объединяется с на-
стилом, скользящим по направляющим метал-
лическим или пластмассовым путям. Плоские
настилы выполняют с разомкнутыми или
сомкнутыми пластинами с бортами или без
них. Настилы изготовляют из стальных пла-
стин, пластмассовых или деревянных планок.
В химической и пищевой промышленно-
сти широко используют пластинчатые конвей-
еры с плоским петлевым настилом для пере-
мещения бутылок, банок и др. Передвижные
пластинчатые конвейеры используют на скла-
дах, погрузочно-разгрузочных; сортировочных
и упаковочных пунктах для перемещения тар-
но-штучных грузов.
В пищевой промышленности применяют
различные специальные пластинчатые конвей-
еры. Поэтому при их выборе следует руко-
водствоваться данными отраслевых каталогов
и номенклатурных справочников.
Пластинчатые конвейеры обычно рассчи-
тывают в два этапа. Исходными данными для
проектировочного расчета являются физико-
механические свойства груза, производитель-
ность, параметры трассы и режим работы кон-
вейера. Задача расчета сводится к выбору ско-
рости полотна и типа настила, к определению
его геометрических размеров (ширины, высоты
бортов), натяжения тягового элемента и мощ-
ности привода, к выбору типоразмеров тягово-
го элемента, электродвигателя и передаточного
механизма [24, 25].
Максимальное натяжение цепей можно
определить по приблизительной формуле:
*$тах -(50 +^[(^г +<7о)^з + ] +
+(<7г
где Sq - начальное натяжение цепей, -
горизонтальная проекция полной длины
загруженной ветви конвейера; Ln - то же, для
незагруженной ветви; - линейная нагрузка
от холостой части конвейера; qv - линейная
нагрузка от перемещаемого груза; - коэф-
фициент сопротивления движению ходовой
части на прямолинейных участках.
При поверочном расчете кроме данных,
указанных выше, задаются характеристики
предварительно выбранного конвейера, и про-
веряется его соответствие заданным условиям
использования.
Пример. Рассчитать пластинчатый горизон-
тальный конвейер (рис. 5.68) для перемещения
штучных грузов с размером по диагонали 700 мм,
массой т — 180 кг, производительностью Q =
= 130 т/ч. Длина конвейера L = 45 м, разгрузка в
конце груженой ветви, условия работы средние.
Принимаем безбортовой плоский настил с кат-
ками без направляющих.
Исходя из размеров груза и рекомендуемой
добавки (50 мм на каждую сторону) выбираем шири-
ну настила В = 0,8 м.
Принимаем скорость равной v = 0,2 м/с.
В качестве тягового органа принимаем две
пластинчатые втулочно-катковые разборные цепи со
специальными пластинами с шагом t = 400 мм и
разрушающей нагрузкой S = 500000 Н (ГОСТ 588-81).
Линейная нагрузка от груза
<7 = Qg/v - 1800 Н/м.
Шаг расположения грузов на настиле
'гР = mgfa = 1 м-
Линейная нагрузка от ходовой части конвейера
qK « 600В + А = 600 0,8 + 450 = 930 Н/м, где
А = 450 Н/м - коэффициент для легкого типа настила.
Выбираем коэффициент сопротивления дви-
жению w = 0,09, полагая, что диаметр валика цепи
больше 20 мм.
Рис. 5.68. Схема расчета пластинчатого конвейера
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СЫРЬЯ И ПОЛУФАБРИКАТОВ
247
Приняв наименьшее натяжение цепей в точке
их сбегания с приводных звездочек Smjn = St -
= 1000 Н, определим натяжение в характерных точ-
ках конвейера методом обхода по контуру. Обход
начинаем с точки с наименьшим натяжением, Smjn=
= S, = 1000 Н. Сила сопротивления на участке холо-
стой и нагруженной ветви конвейера = qKLw =
= 3770 Н; = (qK +q)Lw = \ 1000 Н.
Натяжение цепей в точке набегания цепей на
натяжные звездочки S2 = *^1 + = Н.
Сила сопротивления на натяжных звездочках
И'пов = $2 (* -1) = 0,0552 , где к = 1,05 - коэф-
фициент сопротивления при огибании звездочки.
Натяжение цепей в точке сбегания с натяжных
звездочек S3 = S2 + ^пов = 5000 Н.
Натяжение в точке набегания груженых ветвей
цепей на приводные звездочки S4 = S3 +
+ 1Ггр = 16000 Н.
Сила тяги конвейера Ид = S4 -S^ = 15000 Н.
Максимальное статическое натяжение цепей
Smax=l,O5(5mjn+FFo) = 16700 Н.
Расчетное натяжение цепей SpaC4 =
= 0,7Smax =11690 Н.
Коэффициент запаса прочности цепей к = 8,
тогда разрушающая нагрузка Spa3p > ASpaC4 =
= 95680 Н, т.е. намного меньше разрушающей
нагрузки выбранной цепи, равной 500 Н.
Необходимая мощность на приводном валу
конвейера = 3 • 103 Вт.
Требуемая мощность двигателя при КПД
г) = 0,94 и коэффициенте запаса к = 1,2
А = £А0/г| = 3830 Вт.
Выбираем электродвигатель А02-51-8 мощно-
стью 4 кВт при частоте вращения 720 мин-1.
Частота вращения приводного вала конвейера
при условии, что число зубьев приводной звездочки
z = 5 составляет: пдв = о/zt = 0,1 с-1 (6 мин-1).
Передаточное число привода i = njпдв =
= 120.
Выбираем коническо-цилиндрический трех-
ступенчатый редуктор КЦ2-750 с передаточным
числом /ред= 118 и допустимой мощностью на быст-
роходном валу 6,4 кВт при частоте вращения
1000 мин-1.
Уточняем скорость ходовой части =
= ztn^ Iг/ред = 0,203 м/с, она практически не отли-
чается от принятой.
Скребковые конвейеры охватывают
группу транспортирующих машин, в которых
груз перемещается при помощи движущихся
скребков по неподвижному желобу или трубе.
Скребковые конвейеры подразделяют:
по форме скребков - со сплошными и
контурными скребками; по высоте скребков -
с высокими и низкими скребками.
Скребковые конвейеры с высокими скреб-
ками применяют для горизонтального и на-
клонного перемещения насыпного груза (рис.
5.69). Такой конвейер имеет стационарный
открытый желоб, одну или две вертикально
замкнутые цепи, связанные с приводными и
натяжными звездочками. Конвейеры со скреб-
ками шириной 200...320 мм, высотой 100...
160 мм и шагом 320...500 мм при скорости
0,1... 1,0 м/с имеют производительность
10... 150 м3/ч. Эти конвейеры применяют при
транспортировании насыпных грузов не под-
верженных крошению.
Скребковые конвейеры с низкими скреб-
ками имеют ширину желоба 125; 200; 320; 500
и 650 мм, рабочую высоту 90; 125; 200; 320 и
400 мм и производительность для зернистых
грузов при скорости транспортирования
0,1 ...0,4 м/с от 3 до 300 м3/ч.
Трубчатые скребковые конвейеры пред-
назначены для герметичного транспортирова-
ния разнообразных пылевидных, порошкооб-
разных, зернистых и мелкокусковых грузов.
Конвейер имеет бесконечную цепь с прикреп-
ленными к ней круглыми сплошными или кон-
турными скребками, которая движется внутри
герметичной трубы и обеспечивает перемеще-
ние груза непрерывным потоком. Схема труб-
чатого конвейера с пространственной трассой
показана на рис. 5.70, а, а элементы его ходо-
вой части - на рис. 5.70, б. Груз перемещается
непрерывным потоком в трубе 1 круглого (ре-
же прямоугольного) сечения. Цепь 2 с прикре-
пленными к ней скребками 3 приводится в
движение от приводной звездочки, вращаемой
приводным механизмом 6. Загрузочные 4 и
разгрузочные 5 устройства расположены на
горизонтальных участках трассы. В конце раз-
грузочного участка устанавливают устройство
7 (обычно вибрационного типа) для очистки
ходовой части от остатков груза.
Трубчатые скребковые конвейеры целе-
сообразно применять при производительности
4...35 м3/ч и скорости транспортирования
0,16...0,32 м/с, длине прямолинейных участков
до 60 м и высоте подъема до 20 м. Параметры
трубчатых конвейеров приведены в табл. 5.37.
248
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
1 - тяговая цепь; 2 - скребки; 3 - приводная звездочка; 4 - выпускные отверстия;
5 - станина; 6 - желоб; 7 - натяжное устройство
Рис. 5.70. Трубчатый конвейер
5.37. Рекомендуемые параметры трубчатых скребковых конвейеров
Размеры трубы, мм (ГОСТ 8732-78) Размеры ходовой части, мм Масса 1 м ходовой части**, кг Расчетная производительность при скорости 0,16 м/с, м’/ч
Наружный диаметр Толщина стенки Диаметр скребка Шаг скребка* при трассе
горизон- тальной комбини- рованной
108 4 94 320...400 160... 200 8,7 4
159 4,5 142 320... 400 160... 200 11,6 9
219 6 198 480... 600 320...600 17,6 16
♦ Кратный шагу цепи 80... 100 мм.
** Для разборной тяговой цепи типа Р2-100-220 при шаге стальных скребков 200...400 мм для комбинирован-
ной трассы.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СЫРЬЯ И ПОЛУФАБРИКАТОВ
249
Конвейеры с контурными скребками по-
зволяют создавать разнообразные трассы.
Внешнее очертание контурного скребка повто-
ряет с некоторым зазором рабочий контур же-
лоба конвейера, поэтому контурный скребок
может более эффективно, чем низкий сплош-
ной перемещать насыпной груз. Такие конвей-
еры применяют для транспортирования легко-
сыпучих, пылевидных, зернистых и сортиро-
ванных мелкокусковых грузов. Конвейеры с
контурными скребками имеют скорость дви-
жения скребков 0,1...0,25 м/с. В типаже преду-
смотрены конвейеры с желобами 125 х 90;
200 х 125; 320 х 200 мм, которые при скорости
движения контурных скребков 0,16 м/с по ком-
бинированной трассе обеспечивают произво-
дительность 3...33 м3/ч.
К достоинствам конвейеров с контурны-
ми скребками и трубчатых скребковых конвей-
еров можно отнести герметичность трассы,
возможность промежуточной загрузки и раз-
грузки на горизонтальных и наклонных участ-
ках, разнообразие трасс перемещения грузов,
саморегулирование загрузки без применения
питателей, а к недостаткам - интенсивное из-
нашивание цепи, скребков и желоба (трубы),
невозможность транспортирования липких
грузов и грузов с твердыми включениями.
Скребковые конвейеры предназначены
для перемещения зернистых грузов с неболь-
шой плотностью. Конвейеры с низкими и
контурными скребками и герметичным жело-
бом применяют в пищевой промышленности
для транспортирования легкосыпучих мате-
риалов.
При расчете скребковых конвейеров по
заданной производительности определяется
скорость полотна, размеры желоба, натяжение
тяговой цепи, окружная сила на приводной
звездочке и мощность двигателя [19, 21]. При
поверочном расчете производительность кон-
вейера определяется по формуле:
Q = vp\yF,
где ф - коэффициент заполнения желоба;
F - площадь поперечного сечения желоба.
Сила сопротивления перемещению тяго-
вых цепей со скребками на прямолинейном
участке трассы
W = g(<fow0 + <7rwr)£r ± (<?0 + Я)Н >
где qo и qr - линейная нагрузка от скребкового
полотна и перемещаемого груза, Wq , wr -
коэффициенты сопротивления движению соот-
ветственно ходовой части и груза по желобу;
Лг - длина расчетного участка конвейера; Н -
высота подъема на расчетном участке (знак
«+» - при подъеме груза, знак «-» - при опус-
кании).
Грузоведущие тележечные конвейеры
(рис. 5.71) выполняют с тяговой цепью, распо-
ложенной ниже уровня пола, на уровне пола
под тележкой, на уровне пола сбоку тележки и
выше уровня пола. Тяговая цепь по ГОСТ 589-
85 принимается с шагом 80; 100 и 160 мм,
двухшарнирная - с шагом 160...200 мм; грузо-
подъемность тележек 50; 125; 250; 500 кг. Ско-
рость движения тележек следует выбирать из
ряда 0,300; 0,375; 0,475; 0,600; 0,750...
23,600 м/мин. Радиусы поворотных устройств
должны соответствовать 400; 500; 630; 1000...
2500 мм. Достоинством грузоведущих конвей-
еров является компактность и простота конст-
рукции, надежность в эксплуатации.
Грузоведущие конвейеры целесообразно
использовать для внутрицехового, внутри-
складского и межцехового транспортирования
грузов, а также для связи складов с цехами.
Конструкция тележек обеспечивает их оста-
новку или включение в движение с автомати-
ческим или ручным управлением.
Расчетная производительность конвейера
Q-av/t,
где а - число грузов на одной тележке; t - шаг
тележки.
Полный расчет конвейера выполняется в
Рис. 5.71. Грузоведущий тележечный конвейер:
1 - тяговая цепь; 2 - каток;
3 - грузонесущая тележка; 4 - кулак-захват
250
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
Подвесные конвейеры (рис. 5.72) под-
разделяют на грузонесущие, толкающие, гру-
зоведущие и комбинированные. Тяговым эле-
ментом является цепь, к которой присоединены
каретки с ходовыми катками, движущимися по
подвесным путям. Цепь приводиться в движе-
ние при помощи приводной звездочки или
цепи гусеничного привода. У грузонесущих
подвесных конвейеров подвески несут грузы;
каретки грузоведущих конвейеров соединены
разъемно со штангами напольных тележек. У
подвесных толкающих конвейеров цепи вы-
полнены с кулаками, ведущими тележки, сво-
бодно установленные на грузовом подвесном
пути. Подвесной путь для перемещения грузо-
несущих тележек толкающих конвейеров име-
ет ответвления с переводными стрелками. Это
позволяет создать систему автоматического
адресования грузов с управлением стрелками
при помощи специальных запоминающих
и программирующих устройств. Применяются
также несуще-толкающие конвейеры, которые
сочетают свойства грузонесущих и толкающих
конвейеров. По виду трассы подвесные кон-
вейеры разделяют на горизонтальные и про-
странственные.
Подвесные конвейеры применяют в пи-
щевой промышленности: для перемещения
полуфабрикатов с одного рабочего места на
другое, а также при транспортировании и скла-
дировании готовой продукции, выполнении
погрузочно-разгрузочных работ.
----->
2 1
Основными параметрами подвесных кон-
вейеров являются производительность, ско-
рость цепи, шаг цепи, грузоподъемность карет-
ки. Шаг разборных цепей составляет 80; 100 и
160 мм (ГОСТ 589-85). Расчетные нагрузки на
каретки 2,5; 5 и 8 кН.
Техническая характеристика отечествен-
ных и зарубежных подвесных конвейеров при-
ведена в табл. 5.38.
Расчет подвесных грузонесущих и тол-
кающих конвейеров приводится в [19, 21].
Ковшовые элеваторы предназначены
для транспортирования пылевидных, зерни-
стых и мелкокусковых грузов (муки, зерна и
т.п.) на предприятиях пищевой и других отрас-
лей промышленности.
По виду тягового элемента ковшовые
элеваторы бывают ленточные и цепные (рис.
5.73). В зависимости от количества цепей, к
которым крепятся ковши, различают одноцеп-
ные и двухцепные элеваторы. По расположе-
нию трассы элеваторы подразделяют на верти-
кальные и наклонные. Загрузка ковшей осуще-
ствляется либо зачерпыванием груза из нижней
части кожуха элеватора, либо засыпанием гру-
за в ковши. Разгрузка ковшей бывает центро-
бежной, самотечной свободной и самотечной
направленной. При центробежной разгрузке
скорость ковшей элеватора принимают обычно
1...5 м/с. Свободная самотечная и направ-
ленная разгрузка применяется у тихоходных
элеваторов при скорости движения ковшей
0,4...0,8 м/с. По расположению ковшей разли-
чают элеваторы с расставленными и сомкну-
тыми ковшами.
Рис. 5.72. Схемы подвесных конвейеров:
а - грузонесущего; б - толкающего; в - грузоведущего; I - каретка; 2 - подвесной путь; 3 - тяговая цепь;
4 - грузонесущая подвеска; 5 - груз; 6 - тележка; 7 - кулак-толкатель; 8 - соединительная штанга
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СЫРЬЯ И ПОЛУФАБРИКАТОВ
251
5.38. Техническая характеристика подвесных грузонесущих конвейеров отечественного
и зарубежного производства
Фирма, страна Наибольшая на- грузка на каретку на горизонтальном пути, кН Тяговая цепь Скорость цепи, м/с
Тип цепи Шаг звена, мм Разрывная сила, кН
0,2 0,5 Двухшарнирная 200 200 20 40 0,012...0,66 0,012...0,51
Россия, Украина 2,5 80 106 0,007... 0,40
5,0 Разборная 100 220 0,010...0.37
8,0 160 400 0,010...0,37
0,5 50,3 27
ВЕББ (США) КФК (Франция) 0,9 1,8 Разборная 76,2 101,6 109 220 0,01... 0,50
5,5 152,4 385
ФАТА (Италия) 1,5 Разборная 100,0 100 0,05... 0,40
2,5 Специальная 101,6 250
0,2 Пластинчатая секционная 20 20 0,09
Тсубакимото (Япония) 0,5 Двухшарнирная 50 50 0,17
3,0 5,0 Разборная 215 385 215 385 0,20 0,20
В России выпускаются ленточные и цеп-
ные элеваторы производительностью 3...
100 т/ч. Ленточные элеваторы модели ЛГ-160
оснащены глубокими расставленными ковша-
ми шириной 160 мм с шагом 320 мм, имеют
производительность 8... 15 т/ч. Такую же про-
изводительность имеют цепные элеваторы
модели ЦГ-160 с аналогичными ковшами объ-
емом 1,1л. Более мощные элеваторы моделей
ЛГ-400 и ЦГ-400 обеспечивают производи-
тельность 50...70 т/ч при скорости 1...2 м/с.
Производительность аналогичных элеваторов с
мелкими ковшами моделей ЛМ-400 и ЦМ-400
равна 35... 50 т/ч.
Ковшовые элеваторы для мелкозернистых
и пылевидных грузов имеют производи-
тельность 5...500 т/ч. Они используются на
зернохранилищах, мукомольных и комбикор-
мовых предприятиях при высоте подъема до
60 м и скорости ковшей до 4 м/с.
В качестве тягового элемента ленточных
элеваторов используют тканевую прорезинен-
ную многопрокладочную ленту (ГОСТ 20-85)
шириной 125...700 мм. В цепных элеваторах
Рис. 5.73. Ковшовый элеватор:
1 - приводной барабан; 2 - разгрузочный патрубок;
3 - смотровой люк; 4 - кожух; 5 - тяговый элемент;
6 - направляющие; 7 - натяжное устройство;
8 - загруженный патрубок; 9 - ковши
252
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
применяют пластинчатые цепи (ГОСТ 588-81)
с шагом 100...630 мм и круглозвенные свар-
ные, в вертикальных - втулочные и втулочно-
роликовые цепи, а в наклонных элеваторах -
втулочно-катковые. В элеваторах применяют
ковши с цилиндрическим днищем, остроуголь-
ные и с полукруглым днищем с бортами на
торцовой стенке.
Пример. Рассчитать вертикальный ковшовый
элеватор (рис. 5.74) для транспортировки зерна
влажностью более 17 % производительностью Q =
= 40 т/ч (11,11 кг/с). Насыпная плотность зерна 700
кг/м3, высота подъема груза Н = 20 м.
Выбираем ленточный быстроходный элеватор
с расставленными глубокими ковшами и центробеж-
ной разгрузкой. Средний коэффициент заполнения
ковшей ц/ = 0,8, рекомендуемая скорость ленты
v = 1,25...2,0 м/с. Принимаем скорость v = 1,5 м/с.
Необходимый удельный объем ковшей
/п = (?/гл|/р = 0,0132 м3/м.
Выбираем для in =19 л/м глубокий ковш с
объемом 12 л с шагом /ков = 630 мм и шириной
Вк = 500 мм. Ширина ленты принимается на 25...
150 мм шире ковша: В - 650 мм.
Удельная нагрузка от массы груза q =
= Qg/v - 74 Н/м.
Удельная нагрузка от массы ходовой части
элеватора: qK — Qkg = 180 Н/м, где к = 1,62 - ко-
эффициент.
Сопротивление зачерпыванию груза 1Гзач =
Рис. 5.74. Расчетная схема (а) и диаграмма
натяжений (6) тягового органа
вертикального элеватора
Мощность на приводном валу, потребная для
работы элеватора,
N = 1, \QHg \ 1 + + ^23-1 = 5050 Вт,
I Q н )
где С = 0,042.
Окружная сила на приводном барабане
Р = N/v = 3440 Н.
Принимаем коэффициент сцепления между
прорезиненной лентой и барабаном ц = 0,1 (для
очень влажной атмосферы), угол обхвата барабана
лентой а = 180°.
Максимальная сила в ленте 5тах ~
= Рехр(ца)/[ехр(ца)-1] = 12700 Н.
Приняв номинальный запас прочности п$ = 9
(предполагая, что число прокладок в ленте не бо-
лее четырех) и предел прочности прокладок к^ =
= 55000 Н/м (для бельтинга Б-820), найдем необхо-
димое число прокладок в ленте:
' =5тах«оДрЙАО = 4-
где £0 = 0,9 - коэффициент, учитывающий ослабле-
ние ленты в местах крепления ковшей.
Диаметр приводного барабана Dn6 =
э
= 0,204^ = 0,46 м. Принимаем Dn6 = 400 мм.
Толщина ленты 6 = 8р + /8пр + 8Н =10 мм,
где 5р = 3 мм - толщина резиновой обкладки с рабо-
чей стороны; i - число прокладок; 5пр = 1,5 мм -
толщина прокладки из бельтинга; 8Н = 1 мм - тол-
щина обкладки с нерабочей стороны.
Вес 1 м ленты qn = рлВ8# = 71,5 Н, где
рп =1120 кг/м3 - плотность ленты.
Примем приближенно массу одного ковша
GK0B = 15 кг, найдем линейную нагрузку от массы
G я
ковшей <?ков = ——— к^ = 270 Н/м, где £кр =
^ков
= 1,14 - коэффициент, учитывающий массу крепеж-
ных деталей.
Линейная нагрузка от ходовой части элеватора
— qn + ^ков — 341,5 Н/м.
Выполним уточненный тяговой расчет элева-
тора методом обхода по контуру. Обход начинаем с
точки 1, где натяжение Sj = 5rain . Расчет про-
водится аналогично расчету ленточного конвей-
ера S2 =knS{ + JE3a4 =1,05^ +150; S3 = S2 +
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СЫРЬЯ И ПОЛУФАБРИКАТОВ
253
+ (q + qK)H = 1,055} +8460; S4 =Sl+qKH =
- + 6830. Из соотношения < S4 ехр(ра) и
соотношений для S3 и S4 находим 5] < 2800 Н.
Принимаем Smin = S] = 1000 Н, тогда 52 =
= 1200 Н; 53 = 9500 Н, 54 = 7830 Н.
Поскольку S3 = Smax = 9500 Н, что меньше
полученного значения, по предварительному расчету
Smax = 12700 Н, проверка не требуется.
Тяговая сила на барабане
1Е0 =knS3-S4 =2170 Н.
Мощность на приводном валу элеватора
Nq=Wqv = 3250 Вт.
При коэффициенте запаса /сзап =1,2 и КПД
г| = 0,96 потребная мощность двигателя
^ = ^ап^о/п«4000 Вт.
Полочные и люлечные элеваторы (рис.
5.75) предназначены для вертикального транс-
портирования штучных и тарных грузов. По-
лочные элеваторы состоят из цепей, к которым
на определенном расстоянии друг от друга
прикреплены полки. В верхней части элеватора
расположен привод /, а в нижней - натяжное
устройство. Полки-захваты выполнены в виде
кронштейнов с изогнутой или плоской формой
опорной части в зависимости от конфигурации
груза. Загрузка или разгрузка полок элеватора
производится автоматически или вручную. Для
автоматизации загрузки и разгрузки применя-
ют гребенчатые полки и колосниковые столы.
Люлечные элеваторы состоят из верти-
кально замкнутых цепей, к которым с опреде-
ленным шагом шарнирно прикреплены люль-
ки. Такая конструкция элеватора позволяет про-
изводить автоматическую загрузку люлек на
восходящей ветви и разгрузку в любом месте
нисходящей ветви.
Техническая характеристика люлечных
элеваторов приведена в табл. 5.39. Тяговым
элементом полочных и люлечных элеваторов
служат пластинчатые втулочные и втулочно-
катковые цепи (ГОСТ 588-81) с шагом 80...
400 мм. Для легких люлечных элеваторов мо-
гут быть приняты роликовые длиннозвенные
облегченные цепи с шагом 38...72,2 мм.
Рис. 5.75. Полочный и люлечиый элеваторы:
а - люлечный; б - полочный;
1 -приводной вал; 2 - люлька; 3 - тяговый орган,
4 - натяжное устройство
5.39. Техническая характеристика вертикальных люлечных элеваторов
Тип Грузоподъем- Скорость Размер груза Шаг цепи Шаг люльки Мощность
элеватора ность люльки, кг движения, м/с мм электродвигателя, кВт
ВЛК-1 10 0,25 300 х 500 100 1600 1,7
ВЛК-2 10 0,60 450 х 670 25 1250 0,4
ВЛК-3 10 0,30 100x 500 160 640 1,7
ВЛК-4 50 0,50 300 х 500 35 2700 1,0
ВЛК-5 100 0,16 500 х 700 100 3300 1,5
254
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
Четырехцепные вертикальные конвей-
еры (рис. 5.76) получили широкое примене-
ние для транспортирования крупногабаритных
тарно-штучных грузов в пищевой промышлен-
ности (пакетированных грузов на поддонах,
грузы в контейнерах и др.). Четырехцепной
конвейер состоит из двух внешних и двух
внутренних бесконечнозамкнутых цепей [28].
Цепи приводятся в синхронное движение элек-
тродвигателем через редуктор, который пере-
дает вращающий момент на приводной вал
головных звездочек. Отклоняющие звездочки
придают цепям на вертикальном участке кон-
вейера определенное положение, зависящее от
размеров и формы грузонесущих платформ,
которые передними траверсами крепятся
к внутренним цепям, а задними - к внешним
цепям.
Платформы конвейера обладают одно-
сторонней гибкостью, позволяющей им оги-
бать приводные и отклоняющие звездочки и
затем опускаться или подниматься в верти-
кальном положении. Штучные грузы, пакети-
рованные на поддонах, подаются на платформу
с помощью приводного роликового конвейера,
а для приема поднятых вверх грузов использу-
ется роликовый стол или приводной конвейер.
Рис. 5.76. Четырехцепной вертикальный конвейер:
1 - привод; 2 - приводной вал; 3 - тяговые цепи;
4,6 - отклоняющие звездочки; 5 - грузонесущая
платформа; 7 - натяжное устройство;
8 - роликовый конвейер
В подготовке материала принял участие
Н.В. Эбервейн.
Для исключения самопроизвольного опускания
грузов вниз при выключении тока, привод кон-
вейера снабжается колодочным тормозом или
стопорным устройством. В нижней части кон-
вейера устанавливается винтовое натяжное
устройство.
Разработано большое количество конст-
рукций вертикальных конвейеров, а также кон-
вейерных систем на их основе. Классификация
вертикальных конвейеров приведена на рис.
5.77.
Грузонесущая платформа является одним
из главных элементов конвейера. Классический
вариант платформы (рис. 5.78) - это платфор-
ма, состоящая из передней и задней траверс,
направляющих роликов, через которые опира-
ется на уголки рамы конвейера, и шарнирных
звеньев, обеспечивающих огибание платфор-
мой звездочек и блоков, а также необходимую
жесткость для транспортирования груза по
вертикали.
В настоящее время все большее примене-
ние находят платформы с двусторонней гибко-
стью, конструкция которых позволяет огибать
звездочки в обоих направлениях и при этом
сохранять жесткость на рабочем участке
транспортирования. Эти платформы значи-
тельно сложнее, однако, они позволяют созда-
вать конвейеры со сложной трассой. Находят
применение жесткие платформы. Они просты в
изготовлении, однако цепи в конвейерах с ис-
пользованием таких платформ испытывают
большие динамические нагрузки, а при исполь-
зовании платформ, постоянно закрепленных на
цепях, увеличиваются размеры конвейера для
создания возможности огибания звездочек.
При транспортировании грузов до 50 кг полу-
чили применение гибкие прямоугольные плат-
формы, изготовленные из отрезков конвейер-
ной ленты, из набора жестких реек, прикреп-
ленных к отрезку брезента.
Основными преимуществами четырех-
цепных вертикальных конвейеров являются
небольшие габаритные размеры в поперечном
сечении и высокая производительность при
автоматической загрузке и разгрузке конвейе-
ра, а также его реверсивность, позволяющая не
только поднимать, но и опускать груз одним
конвейером.
Вертикальные четырехцепные конвейеры
производят компании Essex Material Handling
Со., Omni Metalcraft Corp., Conveyor Engineering
Co., T.K.F. Engineering and Laundry Machine Co.
(CHIA), Norpak Handling Limited (Канада), Sadler
(канадо-американская компания).
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СЫРЬЯ И ПОЛУФАБРИКАТОВ
255
Рис. 5.77. Классификация вертикальных конвейеров
Компания Essex Material Handling
Company выпускает вертикальные конвейеры:
грузоподъемностью платформы (4,5...450 кг;
скоростью цепи 0,005...0,5 м/с; размерами
платформы 460 х 560... 1220 х 1220 мм, произ-
водительностью 1...1700 шт./час. Кроме сталь-
ных тяговых цепей используются цепи из эла-
стомеров. В этом случае высота зоны разгрузки
ограничивается 1524 мм.
Характеристика четырехцепных верти-
кальных конвейеров фирмы Sadler приведена в
табл. 5.40. В табл. 5.41 приведена характе-
ристика моделей ROACH Conveyors® фирмы
Omni Metalcraft Corp., Conveyor Engineering Co.
Их общие характеристики: грузоподъемность
до 1814 кг; рама; производительность
до 25 шт./мин; скорость цепи 0,305 м/с (макси-
Рис. 5.78. Грузоиесущая платформа
мальная 0,508 м/с). В конвейерном центре Flo
Store Engineering (США) вертикальные конвей-
еры производит фирма Shuttleworth®, Inc.
256
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
5.40. Характеристика четырехцепных вертикальных конвейеров фирмы Sadler
Параметры Модель
VC-Z4 VC-Z6 VC-Z8
Мощность электродвигателя, кВт 0,75 1 5 3
Скорость цепи, м/мин 20 20 10
Тип цепи (ASA №) 40-1-R 60-1-R 80-1-R
Грузоподъемность платформы, кг 25 90 225
Общая грузоподъемность, кг Габаритные размеры тарно-штучного груза, мм: 90 350 800
длина 450 750 1200
ширина 350 600 1200
высота Габаритные размеры платформы, мм: 350 600 1000
длина (£pf) 600 900 1350
ширина(1ГрГ) 500 750 1350
Высота подъема груза, м Высота блоков ограждающих конст- рукций, м 2,4 - стандартная; а также 3,6; 4,3 1,2
5.41. Характеристика вертикальных конвейеров фирмы Omni Metalcraft Corp.
Conveyor Engineering Co
Модель Грузо- подъемность платформы, кг Стандартная скорость цепи, м/с Длина груза *, мм Ширина груза, мм Мини- мальная высота груза, мм Высота места загрузки от пола, мм Конструк- ция рамы (сортамент)
CVC-100 45 0,457 305...1219 203...914 76 457 Листовая
CVC-300 136 0,305 610...1524 610...1219 127 610
CVC-600 272 0,279 610...1829 610...1219 127 711 Уголок
CVC-1200 544 0,203 1219...2134 914...1829 127 914
CVC-4000 1814 0,178 1219...2438 914...1829 127 965 Труба или тюбинго- вый эле- мент
♦ Допускается транспортирование более коротких грузов
В табл. 5.42 приведена техническая ха-
рактеристика четырехцепных вертикальных
конвейеров для транспортирования тарно-
штучных грузов, разработанных автором и
широко применяемых в пищевой и других от-
раслях промышленности [21, 22]. С целью ав-
томатизации процессов многопозиционной
разгрузки вертикальных четырехцепных кон-
вейеров разработана конструкция, в которой на
промежуточных уровнях вертикальные трассы
обеих пар цепей образуют вытянутые горизон-
тальные участки - петли (рис. 5.79).
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СЫРЬЯ И ПОЛУФАБРИКАТОВ
257
5.42. Техническая характеристика вертикальных четырехцепных конвейеров
для транспортирования тарно-штучных грузов Ю.А. Пертена
Тип конвейера Грузоподъем- ность одной платформы, кг Высота подъема, м Скорость транспортиро- вания, м/мин Размеры грузонесу- щей плат- формы Шаг тяговой цепи Разрывная сила, Н Мощность привода, кВт
мм
ВК-75 75 5,0 20 600 х 800 25 5104 2,2
ВК-101, ВК-102 100 4,2 6,2 16...30 780 х 900 35
ВК-1ОЗ ВК-104 7,2 10,0 2,8
ВК-750 750 4,2 10...40 1100 х 1200 50 12104
ВК-1000 1000 6,2...20 4,5...10
BK-I500 1500 6,2...30 1100 х 1200 100 15 104 7...15
/ • 2
Рис. 5.79. Четырехцепной вертикальный конвейер с многопозиционной разгрузкой:
/ - приводные звездочки; 2 - отклоняющие звездочки; 3 - внешние тяговые цепи;
4 - внутренние тяговые цепи; 5 - грузонесущая платформа; 6 - приемный конвейер
9 — 8434
258
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
Конвейер работает следующим образом.
При загрузке грузом платформы 5, она пере-
мещается по вертикали тяговыми цепями 4.
При прохождении петлевого разгрузочного
участка, расположенного под углом к горизон-
тали, платформа наклоняется и, если фикси-
рующее устройство, установленное на плат-
форме, разомкнуто, то груз скатывается под
действием собственного веса на приемный
конвейер 6, который расположен под тем же
углом, что и петлевой разгрузочный участок.
Конвейер может быть как с подвижным насти-
лом, так и с роликовым, как показано на схеме.
При замкнутом положении фиксирующего
устройства (стопора) груз остается на плат-
форме и после прохождения петлевого разгру-
зочного участка продолжает движение по вер-
тикали до следующего этажа.
Рис. 5.80. Вертикальная конвейерная система
с многофункциональной загрузкой - разгрузкой:
1-3 - приводные натяжные и отклоняющие звездоч-
ки; 4 - тяговые цепи; 5 - грузонесущая платформа;
6 - опорные ролики; 7 - упор; 8 - приемоподающие
роликовые конвейеры; 9- подающие роликовые
конвейеры; /0-стыкующая секция; //-толкатель;
12 - цепная передача
Проблема автоматической многопозици-
онной поэтажной разгрузки - загрузки успеш-
но решена в разработанных автором высоко-
производительных вертикальных четырехцеп-
ных конвейерных системах (рис. 5.80).
Расчет четырехцепных вертикальных
конвейеров имеет ряд особенностей. При вы-
боре типа цепи следует учитывать;
максимальные ожидаемые отклонения по
длине, которые могут привести к перекосу
платформы;
возможность шарнирного соединения це-
пей с платформой, обеспечивающего достаточ-
ную прочность;
стоимость цепи и условия эксплуатации
(смазку, срок службы, возможность ремонта).
Этим и другим требованиям наиболее
полно удовлетворяют тяговые и некоторые
пластинчатые приводные цепи (ГОСТ 13568-97,
ГОСТ 588-81, ГОСТ 589-85) с шагом 12...100 мм.
В зависимости от массы и габаритных разме-
ров груза выбирается конструкция грузонесу-
щей платформы и способ ее крепления к цепи:
с помощью специальной пластины или заменой
валика цепи консольным пальцем. Исходя из
размеров штучного груза принимается шаг
платформ:
ГП=1,5Л + /, (5.74)
где h - высота груза; /- длина платформы.
Скорость движения цепи
v = ^-,
п
где Qz - производительность конвейера; п -
число штучных грузов на платформе.
Линейная нагрузка холостой ветви
<7°-<7ц+-^
где кц - коэффициент неравномерности рас-
(5.75)
пределения нагрузки между цепями; - ли-
нейная нагрузка от веса цепи; тп - масса
платформы.
Линейная нагрузка груженой ветви:
<7гр=<7о+~Т----« (5-76)
4?п
где т - масса штучного груза.
Расчет силы тяги ведется отдельно для
внешней и внутренней цепей, так как их трассы
имеют различные конфигурации.
С целью ускорения расчетов при слож-
ных трассах вертикальных четырехцепных кон-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СЫРЬЯ И ПОЛУФАБРИКАТОВ
259
5.43. Расчет натяжения цепей вертикального четырехцепного конвейера
Внешний контур Внутренний контур
i ОО х ° гм — гч — ГЧ 2 I 7 X J1 х * _ — о ч г- * ГЧ ~ 1 О ? «900 8 я ® 11 § 11 £ 11 II II 07 + OQ + UQ + £ о — еч ’Т — чо — со 9- 9-со 9- 9- II II II II II II II || II II II II II II II II Сс Со -6 Со-6 Со-6 Со —• М о + + II ‘о ‘о II II II at. К £ 8 “S? 5 - 2 ? § х к> “ X X II ж о© £ II м 8 с* ~ -т- ОО О X О ж х ж
S9 = St = 4349 Н 5ю ~ 5i + Qq ^io-i = 2804 Н ^=Ф1(59-510)= 1404Н < = <р2 (S7-Sg) = 1445 Н
вейеров, особенно с многопозиционной за-
грузкой - разгрузкой, применяется вычисли-
тельная техника. При ориентировочном расче-
те можно принять следующие значения коэф-
фициентов: (pi = 1,03... 1,05; (р2 = 1,05... 1,07.
Коэффициент м> при хороших, средних и
тяжелых условиях работы конвейера равен
соответственно 0,03; 0,04; 0,05. Выбор цепи
осуществляется по разрушающей нагрузке
^раз — ^з^тах » (5.77)
где и3 - коэффициент запаса прочности; =
= 8... 10; Smax - максимальное расчетное натя-
жение цепи, определяемое расчетом силы тяги.
Пример. Рассчитать вертикальный четырех-
цепной конвейер, предназначенный для подъема
грузов массой т = 275 кг. Известны: размеры груза
1200x1000x800 мм; производительность Q = 15 т/ч
(Q,= 55 шт./ч); высота подъема Н= 6 м.
Выбираем в качестве тягового органа цепь
ПР-31,75-8850 (5раз = 88500 Н) по ГОСТ 13568-75.
Рекомендуемая скорость движения цепи нахо-
дится в пределах 0,05...0,2 м/с. При этих скоростях
можно не учитывать динамические нагрузки в тяго-
вом элементе. Для рассматриваемого случая примем
скорость движения цепи v = 0,1 м/с.
Уточняем производительность конвейера
Ср = kQ = 19,5 т/ч, где к = 1,3 - коэффициент не-
равномерности подачи груза (к = 1,25... 1,5).
Штучная производительность конвейера
Qz = IQOOQy/m = 70,9 шт/ч.
Минимальное значение шага по формуле (5.74)
/п min = 1,5 • 800 +1200 = 2400 мм.
Шаг между платформами /п =
= 5,1 м, что превышает минимальное значение
^nmin
Линейная нагрузка холостой ветви при qu =
= 38 Н/м, кц = 1,3 и тп = 150 кг по формуле (5.75)
составит q0 =134 Н/м.
Линейная нагрузка груженой ветви по (5.76)
9гр = 293,3 Н/м.
Производим расчет натяжения цепей методом
обхода по контуру отдельно для внутренней и внеш-
ней цепей (табл. 5.43, рис. 5.81).
Определим коэффициент запаса по (5.77)
пз =^раз/^тах =20,3. Полученное значение
удовлетворяет условию прочности.
Определяем окружную силу тяги на при-
водных звездочках: = 2 + 2 4-
+<Р1 (2Ж„ +2^’) = 5983 Н.
Определяем мощность привода
А' = = 750 Вт,
где г| = 0,8 - КПД привода.
Рис. 5.81. Эпюры натяжения тягового органа
вертикального конвейера:
а - внутренний контур; б - внешний контур
9*
260
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
Двухцепные конструкции*. Они пред-
ставляют интерес с точки зрения уменьшения
металлоемкости машины. Если материал сыпу-
чий, то он должен быть запакован в ящики,
коробки, бумажные или полимерные пакеты.
Схема одной из возможных конструкций
двухцепного вертикального конвейера пред-
ставлена на рис. 5.82. Он отличается от обыч-
ного четырехцепного тем, что грузонесущая
платформа крепится к двум бесконечно замк-
нутым тяговым цепям в диагонально противо-
положных углах. Как и в четырехцепном кон-
вейере, внешние очертания цепного контура
формируют приводные отклоняющие и натяж-
ные звездочки. Натяжные звездочки жестко
закреплены на натяжном валу. Грузонесущие
платформы с грузом движутся по трассе по-
средством тяговых цепей. При обходе пово-
ротных пунктов грузонесущая платформа из-
гибается.
Рис. 5.82. Схема вертикального двухцепного
конвейера
В подготовке материала принял участие
С.А. Боровский.
Тяговые цепи приводятся в движение
приводными звездочками, которые жестко
закреплены на приводном валу. Вращающий
момент от электродвигателя передается на
приводной вал через редуцирующее устройст-
во (редуктор, цепную или зубчатую передачу).
Привод может быть реверсивным, т.е. направ-
ление движения гяювых цепей, а значит, и
груза может изменяйся для возможности осу-
ществления разгрузки и загрузки.
Крепление грузонесущей платформы к
тяговым цепям в двух точках может быть осу-
ществлено с использованием двух торсионных
валов. Также для двухцепного варианта верти-
кального конвейера предлагается новая конст-
рукция грузонесущей платформы с односто-
ронней жесткостью, которая крепится к тяго-
вым органам при помощи двух специальных
кронштейнов. Каждый кронштейн крепится к
цепи в двух точках, расположенных через це-
лое число шагов (число шагов определяется
числом зубьев огибаемых звездочек).
Ввиду опасности потери устойчивости
грузонесущей платформы при закреплении в
двух углах этот вид вертикального конвейера
рекомендуется применять для штучных грузов
небольших размеров, небольшой массы с не-
значительным смещенным центром тяжести.
Этот конвейер может быть перспективной за-
меной лифтов и подъемников небольшой гру-
зоподъемности (если работа конвейера не яв-
ляется непрерывной, то он по сути является
подъемником). Такой конвейер перспективно
устанавливать в многоэтажном здании для
транспортировки тарно-штучных грузов между
этажами.
Грузонесущая платформа, закрепленная с
помощью двух торсионных валов, представля-
ет собой упругую систему, в которой возможно
возникновение изгибно-крутильных колебаний
в момент пуска конвейера. Это явление может
быть вредным, но, в ряде случаев, может быть
и полезным. Например, при транспортировке
пищевого продукта в результате возникшей
вибрации платформы будет лучше происхо-
дить растворение ингредиентов (соли, фермен-
тов и др.).
Общий расчет такого конвейера отлича-
ется от расчета четырехцепного конвейера тем,
что удельные нагрузки на цепь будут в 2 раза
больше. Соответственно, в тяговом расчете
методом обхода по точкам получатся большие
натяжения в цепи. Таким образом, при одина-
ковой грузоподъемности двухцепной вариант
вертикального конвейера должен быть снабжен
тяговыми цепями с большей разрывной силой.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СЫРЬЯ И ПОЛУФАБРИКАТОВ
261
Конвейеры без тягового элемента.
К конвейерам без тягового элемента относятся:
винтовые, инерционные, роликовые и шагаю-
щие конвейеры, а также вращающиеся транс-
портирующие трубы и гравитационные (само-
течные) устройства.
Винтовые конвейеры применяют для
транспортирования преимущественно сыпучих
грузов. Они малопригодны для перемещения
кусковых, липких и влажных грузов. Основ-
ным достоинством этих конвейеров является
закрытый транспортный тракт, компактность,
безопасность в работе и обслуживании, при-
годность для транспортирования горячих, пы-
лящих и токсичных материалов.
Винтовой конвейер состоит из неподвиж-
ного желоба 5, нижняя часть которого имеет
форму полуцилиндра, закрытого сверху крыш-
кой; приводного вала 3 с укрепленными на нем
витками транспортирующего шнека; концевых
и промежуточной опор; привода; загрузочного
и разгрузочного устройств (рис. 5.83). Витки
шнека, изготовленные из стального листа тол-
щиной 4...8 мм, приварены к валу. Для пере-
мещения слеживающихся грузов или для со-
вмещения транспортных и технологических
операций (смешивания, дробления и др.) при-
меняют фасонные витки. Желоб винтового
конвейера обычно выполняют из листовой
стали толщиной 2...8 мм. Диаметры винтов
горизонтальных и наклонных конвейеров стан-
дартизированы: 100; 125; 150; 200; 250;
300; 400; 500; 600. Диаметр вала винта прини-
мается
dB =35 + 0,1Г>В,
где DB - диаметр винта в мм.
Шаг винта /в =DB для горизонтальных
конвейеров и /в =0,8DB [19, 21] для наклон-
ных.
Диаметр винта определяется по формуле
£>в = ^4Q/(En\vpkpii), (5.78)
где Q - производительность; к$ - коэффици-
ент; к$ = 1 при Р = 0° и к^ = 0,8 при Р > 0°;
ф - коэффициент заполнения желоба конвейе-
ра; для легкоподвижных грузов (муки, зерна)
ф = 0,45, для грузов средней подвижности
(мелкокусковая соль, сахар) ф = 0,3; р - на-
сыпная плотность груза; пъ - частота враще-
ния шнека (для соли пв = 63... 100 мин-1, для
зерна пв = 80... 140 мин1); Е- отношение шага
шнека S к его диаметру D.
Пример. Рассчитать винтовой горизонтальный
конвейер для перемещения сырого песка объемной
массой 1,6 т/м3. Расчетная производительность Q =
= 35 т/ч, длина конвейера L = 20 м.
Принимаем Е = 0,8 для абразивных материа-
лов; ^р= 1 (конвейер горизонтальный), = 0,125 [1,3].
В соответствии с техническими требованиями при-
нимаем п = 40 мин1 (0,66 с-’).
Из (5.78) находим DB = 0,485 м. Принимаем
£)в = 0,5 м, а шаг шнека 5 = 0,4 м.
Находим: максимально допустимую частоту
вращения шнека итах =/1/д/о = 42,5 мин1, где
А = 30; линейную нагрузку от массы вращающихся
частей конвейера qK « 800Z) = 400 Н/м; коэффици-
ент сопротивления движению вращающихся частей
конвейера wB = 0,01 (для подшипников качения);
коэффициент сопротивления движению груза wp = 4.
При осевой скорости перемещения груза
v = Sn = 0,27 м/с определим мощность на ва-
лу шнека Ао = QLw^g + k$qnLvwB = 7651,6 Вт.
Мощность двигателя для привода конвейера при
коэффициенте запаса кт, = 1,25 и КПД редуктора
Г| = 0,96 N = к^Мц /г| = 10 кВт.
Рис. 5.83. Схема винтового конвейера:
1- загрузка; 2 - промежуточные подшипники; 3 - винт; 4 - разгрузка; 5 - желоб;
6 - муфта; 7 - редуктор; 8 - электродвигатель
262
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
Инерционные конвейеры служат для
перемещения сыпучих и штучных грузов по
днищу колеблющегося в заданном направле-
нии желоба или трубы. Закономерности дви-
жения груза и выбор типа конвейера зависит от
характера и направления движения желоба, от
амплитуды и частоты его колебаний. Если ма-
териал по желобу движется скачками, то такой
конвейер называется вибрационным (рис.
5.84). Амплитуда и частота колебаний желоба
таких конвейеров лежит в пределах соответст-
венно А - 0,5... 15 мм и/= 6,5...50 с-1. Если
перемещение материала происходит без под-
брасываний, то конвейеры называют качаю-
щимися. Для них соответствующие вели-
чины имеют порядок: А - 20... 150 мм, f -
= 0,5...6,5 с
Простота и малогабаритность конструк-
ции, удобство загрузки и разгрузки, возмож-
ность герметизации рабочего органа, совмеще-
ние транспортирования с технологическими
операциями (подсушивание, охлаждение, раз-
деление груза по фракциям) предопределили
широкое применение инерционных конвейе-
ров. Вибрационные конвейеры особенно удоб-
ны при дозированной подаче материала. Ка-
чающиеся конвейеры находят применение на
предприятиях пищевой промышленности при
транспортировании насыпных грузов с повы-
шенной хрупкостью и плохой воздухопрони-
цаемостью (например, муки). Особенности
расчета конвейеров этой группы рассмотрены в
[19,21].
Шагающие конвейеры имеют пульси-
рующий принцип действия, который заключа-
ется в периодическом движении перемещае-
мых грузов на один шаг под действием возврат-
но-поступательно движущейся легкой грузоне-
сущей рамы 2 от привода / с кривошипно-
шатунным механизмом (рис. 5.85). Цикл пере-
мещения состоит из четырех этапов: подъем
штучного груза, перемещение его на один шаг,
опускание их на рабочее место, обратного хо-
лостого хода рабочего органа конвейера. При
полностью заполненном конвейере подвижная
грузонесущая рама перемещает штучные грузы
на всех рабочих позициях на один шаг вперед
через равные промежутки времени, соответст-
вующие технологическому ритму.
Шагающие конвейеры находят примене-
ние на предприятиях пищевой промышленно-
сти для межоперационного перемещения отно-
сительно тяжелых штучных грузов.
Роликовые конвейеры служат для пе-
ремещения штучных грузов: ящиков, коробок,
пакетированных грузов на поддонах, контей-
неров, тары и др. Грузы перемещаются по ста-
ционарным опорным вращающимся роликам
или дискам. Необходимым условием транспор-
тирования является наличие у грузов основа-
ния с гладкой опорной плоскостью. Роликовые
конвейеры могут быть приводными и непри-
водными. На неприводных конвейерах груз
движется при небольшом уклоне роликового
настила под действием составляющей силы
тяжести (гравитационные конвейеры) или при-
нудительным способом приложенной извне
силы (рис. 5.86). У приводных конвейеров груз
перемещается под действием сил сцепления с
вращающимися опорными роликами от груп-
пового или индивидуального приводного уст-
ройства.
Рис. 5.84. Схема вибрационного конвейера:
1 - труба (желоб); 2 - привод; 3 - упругие связи
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СЫРЬЯ И ПОЛУФАБРИКАТОВ
263
Рис. 5.85. Схема шагающего конвейера:
1 - привод; 2 - подвижная рама; 3 - опорные катки; 4 - направляющие ролики;
5 - неподвижная рама; 6 - подъемники; 7 - груз
Рис. 5.86. Схемы иеприводиых конвейеров:
а - стационарного; б - передвижного; в - передвижного раздвигающегося
Роликовые конвейеры используют в каче-
стве средства межоперационного внутрицехо-
вого транспорта, а также для погрузочно-
разгрузочных и складских работ. Элементы
роликовых конвейеров часто применяют в виде
составных частей во многих погрузочных и
перегрузочных устройствах, в пакетоформи-
рующих машинах, в технологических линиях
на приеме и выдаче штучных грузов в сочета-
нии с другими подъемно-транспортными ма-
шинами и технологическим оборудованием.
Роликовые конвейеры могут составлять слож-
ные транспортные системы, имеющие боль-
шую длину, многочисленные разветвления и
пересечения трасс, прямолинейные и криволи-
нейные секции, передающие и отборочные
устройства, накопители, тормозные ролики,
подъемные устройства и столы, а также другие
элементы, служащие целям создания полной
комплексной механизации и автоматизации
производственных процессов в пищевой про-
мышленности.
Неприводные роликовые конвейеры вы-
полняют стационарными, легкими передвиж-
ными на колесном ходу с постоянными и изме-
няющимися шагами роликов (раздвижные), а
также переносными. Неприводные роликовые
конвейеры могут иметь прямолинейные и кри-
волинейные секции, а на местах пересечения
трасс вращающиеся и невращающиеся шари-
ковые поворотные столы. Для сохранения це-
ховых проходив применяют откидные секции.
На разветвлениях трассы устанавливают стрел-
ки с укороченными роликами или механический
стрелочный перевод. Для соединения несколь-
ких линий роликовых конвейеров служат пере-
264
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
даточные тележки с роликовыми настилами и
цепным (канатным) приводом [19, 21].
Диаметр, длину роликов В и шаг их рас-
становки /р выбирают из ряда: Dp = 40, 57, 73,
105, 155 мм; В = 160, 200, 250, 320, 400, 500,
650, 800, 1000, 1200 мм; /р = 50, 60, 80, 100,
125, 200, 250, 315, 400, 500, 630 мм.
Ширину конвейера (длина ролика) В оп-
ределяют по ширине груза
В ~ к3 /?гр,
где к3= 1,1... 1,2 - коэффициент запаса шири-
ны.
Шаг роликов принимают
/р< (0,45... 0,2)/^;
практически/р = 1/3/^,
где /гр - длина груза.
Наклон настила роликовых конвейеров к
горизонтали на практике принимают равным:
0,5...2,5% для ящиков и поддонов из строга-
ных досок; 1...3% для металлических контей-
неров; 4...7% для картонных коробок и 10%
для мешков с мукой, сахаром и др.
Дисковые конвейеры применяют для
транспортирования нетяжелых грузов с не-
большой опорной плоскостью и грузов с жест-
ким основанием. Дисковые ролики могут быть
расположены в шахматном порядке на близких
друг от друга расстояниях. Диски выполняют
из стали, алюминия и пластмассы. Хрупкие
изделия перемещают на резиновых дисках.
Ширину дискового конвейера можно опреде-
лить по гем же зависимостям, что и для роли-
ковых конвейеров. Наклоны трасс дисковых
конвейеров следует уменьшать на 30 % по
сравнению с роликовыми. Ширина дисковых
переносных конвейеров составляет 160; 250;
400 и 650 мм. Шаг вдоль конвейера /д = 40,80 и
160 мм. Шаг дисков поперек конвейера можно
принимать равным (0,5... 1,0) /д.
Приводные роликовые конвейеры приме-
няются на складах и в линиях с другими кон-
вейерами. Преимуществами их являются ста-
бильность скорости движения груза; возмож-
ность одновременной работы с различными
ритмами; удобство выполнения технологиче-
ских и погрузочно-разгрузочных операций.
Вместе с тем, приводные конвейеры имеют
более сложную конструкцию и повышенную
стоимость по сравнению с неприводными кон-
вейерами, а также конвейерами других типов.
При транспортировании легких грузов
используют фрикционный привод с гибким
тяговым органом, например с узкими ремнями.
Грузы средней массы, для которых требуется
более высокая сила тяги, транспортируют с
меньшими скоростями при помощи общей
цепи, звездочек, закрепленных на роликах, и
натяжных промеж} iочных звездочек.
Для конвейеров ноиоянной подачей
груза мощность двигателя можно определить
по приближенной зависимости через произво-
дительность Q, длину горизонтальной проек-
ции трассы Аг, высоту подъема Н и вес вра-
щающихся частей ролика Gp
N =[QgH +QgLrw' + zpGw’v)/r\u .
где w' = (fdn ± 2p.)/Z)p - коэффициент сопро-
тивления подшипников вращению и качению
груза по роликам; w" = f-dJD? - коэффициент
сопротивления подшипников вращению; zp -
число роликов в конвейере; Г|п - КПД переда-
чи; и - скорость перемещения груза,/- приве-
денный к диаметру dn подшипника коэффици-
ент трения f= 0,03...0,06: ц - коэффициент
трения качения груза, ц = 0,5...0,8 мм.
Рекомендации по проектированию и
расчету. Техническое задание на проектирова-
ние конвейерной установки должно содержать
характеристику транспортируемого груза, мак-
симальную производительность машины, све-
дения об условиях работы и схему трассы
транспортирования со всеми необходимыми
размерами. В характеристике насыпного груза
указывается его наименование, насыпная плот-
ность, род груза (рядовой, сортированный),
максимальный размер типичных кусков а' и
наибольших кусков я1Пах. влажность, коэффи-
циент внутреннего/в и внешнего/трения, про-
центное содержание максимальных кусков и
самых мелких фракций (порошкообразных и
пылевидных).
В характеристике штучных грузов ука-
зывается их наименование, масса одной штуки,
форма и габаритные размеры груза. Кроме
того, приводятся сведения об особых свойствах
грузов (взрывоопасности, абразивности, ост-
рокромчатости, липкости, недопустимости
загрязнения, крошения, высокой температуре
и др.).
В условия работы включаются следую-
щие сведения: число часов работы в сутки и
дней работы в год; место установки (отапли-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СЫРЬЯ И ПОЛУФАБРИКАТОВ
265
ваемое или неотапливаемое помещение, на
открытом воздухе и т.п.); пределы колебаний
гемпературы окружающей среды; наличие
повышенной влажности, запыленность воздуха
и т.п.
При расчете различных конвейеров часть
расчетных формул носит общий характер, т.е.
одни и те же формулы могут применяться для
расчетов отдельных параметров всех или не-
скольких типов конвейеров. К общим расчетам
относятся определение производительности,
сопротивлений движению рабочего органа,
натяжений тягового элемента, динамических
сил в цепи, силы тяги конвейера, мощности
привода и др.
Производительность различают массовую
Qnh объемную Qy и штучную Qz. В приведен-
ных выше примерах расчета конвейеров для
насыпных грузов были рассмотрены все осо-
бенности определения основных параметров,
поэтому ниже приведены формулы расчета
конвейеров для транспортирования штучных
грузов.
При заданной производительности Qz
или Qm шаг t подвесок, люлек, полок или
платформ конвейеров для штучных грузов
определяется по формуле t = vmj /Qz . Полу-
ченный расчетом шаг t проверяется на прохо-
димость при огибании звездочек и на подъемах
по условию t > Zmjn.
В горизонтально замкнутых конвейерах
Anin определяется из условия, чтобы подвески
не задевали друг друга при обходе звездочек
(рис. 5.87, а):
Igao »'•5Д”.
2(Ло-Л])
где Rq - радиус начальной окружности звез-
дочки; Ьл - ширина люльки; Amin - минималь-
ный зазор между подвесками.
Рис. 5.87. Схемы для расчета шага грузонесущих подвесок, люлек, платформ на участке:
а - горизонтальном; б - наклонном; в - вертикальном
266
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
В вертикально замкнутых конвейерах Zmin
определяется из условия, чтобы люльки не
задевали одна за другую при огибании цепью
звездочек:
^min = ^л — — 1 ’
где /7=7z + Amjn/2; а/=д/2 + Р/Лл - вы-
сота люльки; угол Р, определяется из условия
sinp, = H/Rq- 1.
На наклонных участках трассы конвейе-
ров (рис. 5.87, б) наименьший шаг между ося-
ми подвесок проверяется по условию свобод-
ной проходимости:
^min = (4 + Amin )/cos Р,
где /тах - максимальная длина подвески с гру-
зом; Р - угол наклона трассы к горизонтали;
Р*<45°.
На вертикальных участках (рис. 5.87, в)
^min — + Amjn,
где hn - максимальная высота подвески.
Питатели. В пищевой промышленности
применяют питатели разнообразных конструк-
ций. По принципу действия их можно класси-
фицировать на четыре основные группы:
с тяговым органом - ленточные, пластин-
чатые, скребковые и т.д.;
с вращающимся рабочим органом - шне-
ковые, тарельчатые, секторные;
с колебательным рабочим органом - ка-
чающиеся, вибрационные и т.д.;
пневматические, работающие на принци-
пе насыщения сыпучего материала воздухом;
при этом сыпучий материал истекает из на-
клонного аэрожелоба, расположенного под
бункером, как жидкость.
Ленточные питатели применяют для
подачи мелкозернистых, мелкокусковых и
крупнокусковых материалов. Максимальный
размер кусков легких материалов может дости-
гать 100... 150 мм (рис. 5.88). Загрузку мате-
риала на ленточный питатель 3 рекомендуется
производить так, чтобы лента не испытывала
на себе непосредственного активного давления
содержимого бункера /. а воспринимала лишь
отраженное давление, для этого в бункерах
делают наклонное выходное отверстие 2.
Обычно длина ленточного питателя составляет
1...5 м, ширина ленты 400... 1000 мм, мощ-
ность привода 0,5... 4 кВт. Большинство лен-
точных питателей имеют невысокую точность
подачи материала (до ± 15%). Производитель-
ность ленточного питателя
Q = kk\bvh , (5.79)
где к - коэффициент наполнения ленты; к\ -
поправочный коэффициент к величине объем-
ной массы; b - расстояние между бортами; v -
скорость движения ленты; h - толщина слоя
материала на ленте.
Коэффициент наполнения ленты обычно
к = 0,7...0,8 и зависит от отношения ширины
ленты к ширине выходного отверстия бункера,
а также от угла естественного откоса материа-
ла. Поправочный коэффициент к величине
объемной массы принимают к{ = 0,7... 1,0; он
уменьшается по мере увеличения скорости
движения ленты (V = 0,05...0,45 м/с). Малая
скорость и = 0,05...0,1 м/с соответствует тяже-
лым и абразивным материалам; средняя ско-
рость v = 0,15...0,2 м/с - средним по массе
малоабразивным материалам; высокая ско-
рость v < 0,45 м/с - легким и неабразивным
материалам.
Рис. 5.88. Схема ленточного питателя
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ СЫРЬЯ И ПОЛУФАБРИКАТОВ
267
Пластинчатые питатели используют
для перегрузки таких же насыпных грузов, как
и грузы транспортируемые пластинчатыми
конвейерами, а также в тех случаях, когда дав-
ление материала, передаваемое на полотно
питателя, весьма значительно. Принципиаль-
ная конструкция питателя мало чем отличается
от конструкции пластинчатого конвейера (см.
рис. 5.67).
К преимуществам пластинчатых питате-
лей следует отнести надежную выгрузку мате-
риала из бункера и равномерное питание при-
емного устройства, например конвейера.
Ширина полотна пластинчатых питателей
обычно 400... 1200 мм; скорость полотна
0,02...0,25 м/с, мощность привода 2...6 кВт.
Пластинчатые питатели рассчитаны
обычно на большую производительность при
низких скоростях движения пластинчатого
полотна, поэтому в этих питателях устанавли-
вают неподвижные высокие борта, укреплен-
ные на раме, сами пластины без бортов либо с
низкими бортами.
Производительность пластинчатых пита-
телей колеблется в широких пределах
(0,005...0,3 м3/с) в зависимости от размеров
питателя, характера транспортируемого мате-
риала и определяется по формуле, как у лен-
точных питателей, по формуле (5.79), в кото-
рой к = 0,7...0,9, а к\ = 1.
Нижний предел скорости соответствует
тяжелым условиям работы питателя. Размер
выпускного отверстия выбирают в зависимости
от гранулометрического состава и угла естест-
венного откоса материала.
Цепные питатели представляют собой
устройства для разгрузки бункеров, состоящих
из свободно подвешенных на барабане беско-
нечных цепей, находящихся над наклонным
выходным лотком из бункера. В этом случае
происходит преимущественно самотечный
процесс разгрузки материала из бункеров, но с
принудительно регулируемой скоростью исте-
чения материала. Цепной питатель может ра-
ботать на материале почти любой крупности,
пригоден для мелкосыпучего, сортированного
и рядового материала.
Производительность питателей составля-
ет 0,002...0,1 м3/с и определяется по формуле:
2 = ^HFyp,
где F - площадь поперечного сечения желоба;
V - скорость цепи (обычно V = 0,05...0,2 м/с);
кп - коэффициент использования желоба.
Секторный питатель представляет со-
бой вращающийся вертикальный или горизон-
тальный барабан, расположенный под выход-
ным отверстием бункера и разделенный ради-
альными стенками на несколько (4... 12) ячеек
(рис. 5.89). Принцип действия секторного пи-
тателя основан на заполнении ячеек при про-
хождении их над выпускным отверстием бун-
кера. Эти питатели широко применяют в пи-
щевой промышленности для подачи и дозиро-
вания порошкообразных сильнопылящих мате-
риалов, склонных к самопроизвольному исте-
чению. Секторные питатели конструктивно
просты, имеют небольшие размеры по сравне-
нию с другими типами питателей, надежны в
работе. Производительность секторного пита-
теля зависит от геометрических параметров и
режима работы. Геометрические параметры
характеризуются диаметром ротора, числом
ячеек, их размерами, а также размером входно-
го и выходного отверстий корпуса питателя.
Режим его работы определяется частотой вра-
щения ротора.
Производительность секторного питателя
рассчитывается с учетом эмпирических коэф-
фициентов по следующей формуле
Q = kknnpBn^R2 -г2 j;
л( /? + г) - Ci
Рис. 5.89. Схема секторного питателя
268
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
где В - длина ротора питателя; R - радиус ро-
тора; г - радиус вала ротора; п - частота вра-
щения ротора питателя; к - коэффициент ис-
пользования объема ячеек; кп - коэффициент
наполнения ячеек; со - угловая скорость; <р0 -
угол раскрытия входного отверстия питателя,
рад; С - толщина стенки ребра; i - число ячеек
в роторе.
Рекомендуемые окружные скорости ро-
тора 0,025... 1 м/с.
Шнековые питатели рекомендуется
применять для мелкозернистых пылевидных
материалов, не боящихся крошения (рис. 5.90).
Применение шнеков для работы с тонкодис-
персными материалами обусловлено их специ-
фическими свойствами - повышенной способ-
ностью к сводообразованию и самопроизволь-
ному истечению.
На точность работы питателя влияет за-
полнение шнека материалом, которое зависит
от диаметра винта шнека, угла наклона винто-
вой поверхности и вида питаемого материала.
Производительность шнековых питателей
со сплошным полностенным шнеком опреде-
ляется по формуле
g = F^p = -Z)2SAnp.
4
где F = пЬ1/4 - площадь поперечного сече-
ния материала; v = Sn - скорость поступа-
тельного движения материала по желобу; D -
диаметр винта; S - шаг винта; к - коэффициент
наполнения желоба; п - частота вращения винта.
Коэффициент наполнения желоба при от-
сутствии промежуточных подшипников
R = 0,7... 1,0. Частоту вращения винта прини-
мают равной 0,5...1,5 с-1 в зависимости от фи-
зико-механических свойств материала.
Рис. 5.91. Схема тарельчатого питателя
Тарельчатый питатель предназначен
для выгрузки из бункера продуктом помола,
мелкозернистых и мелкокусковых материалов
с размером частиц до 100 мм (рис. 5.91). Он
работает по принципу сбрасывания материала
заслонкой 3 с горизонтального вращающегося
диска 2, расположенного под выпускным от-
верстием бункера 7. Наибольшее распростра-
нение получили тарельчатые питатели диамет-
ром 600... 1300 мм с частотой вращения
0,003...0,017 с’1. Производительность питателя
регулируется изменением частоты вращения
тарелки-диска, высоты кольцевой щели между
манжетой и диском и расстояния кромки ножа
от центра диска. Производительность тарель-
чатого питателя
Tth2no( D h }
Q =------- — +------ ,
tg ос 2 3 tg ос J
где /г - высота расположения манжеты над
диском; п - частота вращения диска; р - на-
сыпная плотность груза; а - угол откоса на-
сыпного груза, лежащего на диске; D - диа-
метр патрубка.
Вибрационные питатели рекомендуется
применять для подачи из бункеров мелкозер-
нистых и кусковых материалов, в том числе и
абразивных с максимальной крупностью час-
тиц 50... 100 мм. По принципу действия и
принципиальному устройству они мало отли-
чаются от вибрационных конвейеров (см. рис.
5.84). Движение материала по желобу вибра-
ционного питателя осуществляется в результа-
те изменения давления материала на дно жело-
ба и придания ему направленных колебаний,
обеспечивающих продвижение материала к
выпускному краю питателя. Обычно частота
колебаний составляет 3000 мин'1, а амплитуда
до 2 мм.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ СЫРЬЯ И ПОЛУФАБРИКАТОВ
269
Производительность вибрационного пи-
тателя
Q=BhfSpy,
где В - ширина лотка; h - высота слоя мате-
риала в лотке; f - частота колебаний; S - ход
лотка; ц/ - эмпирический коэффициент; ц/ =
= 0,62...0,7.
Встряхивающие питатели осуществля-
ют перемещение материала за счет направлен-
ных колебаний, которые передаются ему от
встряхивающего лотка. Ширина желоба встря-
хивающих питателей составляет 800... 1000 мм,
глубина желоба 300...400 мм; амплитуда кача-
ния желоба 30...50 мм; частота колебаний
(частота вращения кривошипа) 2,5...4 с1. Про-
изводительность встряхивающих питателей
15...20 кг/с; мощность привода 3...5 кВт.
Качающиеся подвесные и каретчатые
питатели служат для равномерной подачи
порошкосыпучих сухих грузов почти всех ка-
тегорий. Производительность питателей, регу-
лируемая за счет изменения высоты слоя мате-
риала с помощью заслонки, частоты и ампли-
туды качания, а также угла наклона лотка, рав-
на 0,0025... 0,1 м3/с.
5.6. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ СЫРЬЯ
И ПОЛУФАБРИКАТОВ
Для сбора и хранения полуфабрикатов
пищевых производств используют различное
емкостное оборудование горизонтального и
вертикального типов. Резервуары для хранения
изготовляют из коррозионно-стойкой стали,
алюминия, полимерных материалов и др. В
зависимости от назначения производства их
оснащают приборами контроля качества про-
дукта, устройствами для запрограммированно-
го включения перемешивающих устройств,
поддержания определенной температуры про-
дукта, сетевой или звуковой сигнализацией для
заполнения и опорожнения, а также для учета
степени заполнения емкости продуктом.
Резервуары, имеющие тепловую изоля-
цию, снаружи облицовывают листовой корро-
зионно-стойкой сталью. Согласно требованиям
техники безопасности и охраны труда темпера-
тура наружных поверхностей должна быть не
более 45°С.
Выбор оборудования для хранения осу-
ществляется с учетом условий его эксплуата-
ции и монтажа. Вертикальные резервуары по
сравнению с горизонтальными занимают
меньшую производственную площадь, гори-
зонтальные целесообразнее устанавливать в
зданиях с ограниченной высотой потолков, они
более удобны в эксплуатации, так как патрубки
для подвода и отвода продукта, а также смот-
ровое окно, осветительное и другие устройства
размещены на передней стене. Это резервуары
малого объема (до 3 м3) и среднего (до 30 м3).
Вертикальные резервуары большого объема
(50, 100 м^ и более) устанавливают вне поме-
щения.
5.6.1. ОБОРУДОВАНИЕ
ДЛЯ ХРАНЕНИЯ МОЛОКА
Для сбора и хранения молока используют
оборудование вертикального и горизонтально-
го типа, которое должно соответствовать сле-
дующим требованиям:
начальная температура молока не должна
повышаться более чем на 2 °C в течение 24 ч
хранения при разности температур продукта и
окружающей среды 21 °C и заполнении резер-
вуара от 25 % его номинального объема и выше;
отклонение качества проб сырого молока
по содержанию жира, взятых в различных точ-
ках, не должно превышать 0,1 % стандартных
значений после 20-минутной работы переме-
шивающего устройства;
перемешивающее устройство должно
эффективно перемешивать содержимое без
изменения основных свойств продукта при
наполнении его в пределах 25... 100 % номи-
нального объема.
Горизонтальные резервуары для хра-
нения молока. Горизонтальный резервуар
объемом 25 м3 (рис. 5.92) состоит из алюми-
ниевого корпуса / с облицовкой. Пространство
между корпусом и облицовкой заполнено теп-
лоизоляционным материалом - пенопластом.
Резервуар устанавливается на регулируемые по
высоте опоры. Для выхода воздуха из резер-
вуара при наполнении его продуктом на корпу-
се предусмотрен фильтр.
Перемешивание молока осуществляется
его прокачиванием центробежным насосом
через эжектор, размещенный внутри.
Резервуар снабжен люком с самоуплот-
няющейся крышкой 7, смотровым окном и
осветительным устройством. Для его опорож-
нения имеется сливной патрубок с трехходовым
краном 5. Крышка люка имеет систему
безопасности, обеспечивающую автоматиче-
ское отключение привода насоса и подачу тех-
нических моющих средств при открытой
крышке люка. Санитарная обработка внут-
ренней поверхности осуществляется моечным
270
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
Рис. 5.92. Горизонтальный резервуар для хранения молока:
/ - корпус; 2 - опоры; 3 - трубопровод; 4 - болт заземления; 5 - трехходовой кран;
6 - лабораторный кран для отбора проб; 7 - крышка люка; 8 -датчик прибора; 9 - лестница;
10 - датчик верхнего предельного уровня; / / - проушина; 12 - моечное устройство;
13 - трубопровод; 14 - кожух; 15 - изоляция; 16 - облицовка
устройством. Установленная мощность пере-
мешивающего устройства 0,6 кВт.
Перемешивание продукта посредством
эжектора осуществляется следующим образом.
Насос по трубопроводу забирает продукт из
резервуара и подает его под напором к насадке.
Струя, выходящая из насадки, движется через
массу продукта, обеспечивая перемешивание
молока по всему объему. Насос включается ав-
томатически на заданные промежутки времени.
Резервуар может устанавливаться как в
помещении, так и на открытом воздухе при
температуре -40...+ 40 °C. При этом лицевая
стенка и электрошкаф должны быть располо-
жены внутри помещения. В электрошкафу
размещают электрооборудование для пуска,
управления и контроля за процессом хранения
молока. Техническая характеристика горизон-
тальных резервуаров для хранения молока
приведена в табл. 5.44.
5.44. Техническая характеристика горизонтальных резервуаров для хранения молока
Параметр Объем, м3
4 10 25
Продолжительность перемешивания молока после хранения в течение 4 ч, мин 15 15 15
Частота вращения вала насоса, с"1 46,7 46,7 46,7
Установленная мощность электро- двигателя насоса, кВт Диаметр условного прохода, мм: 0,75 0,75 0,75
сливного патрубка 50 50 80
патрубка для подачи моющего раствора 50 50 50
Габаритные размеры емкости, мм, длина х ширина х высота 2200 х 2500 х 2500 4300 x 2126 x 2350 6200 х 2820 х 3660
Масса, кг 900 2200 3470
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ СЫРЬЯ И ПОЛУФАБРИКАТОВ
271
Вертикальные резервуары для хране-
ния молока. Вертикальный резервуар объемом
6,3 м3 имеет два сферических днища (рис.
5.93). Внутренний и наружный корпусы изго-
товлены соответственно из алюминиевого лис-
та и листовой стали. Пространство между ними
заполнено теплоизоляционным материалом 4.
В верхней части расположены моечное устрой-
ство 5, датчик верхнего уровня, воздушный
клапан и смотровое окно. Моечное устройство
представляет собой две трубчатые дуги с от-
верстиями для подачи моющего раствора, под
действием которого дуги приводятся во вра-
щение.
Перемешивающее устройство состоит из
центробежного насоса /, системы трубопрово-
дов с кранами и эжектора 3, расположенного
внутри резервуара.
Заполнение объема молоком производит-
ся через трехходовой кран и патрубок, распо-
ложенные в нижней части резервуара, что пре-
дотвращает вспенивание молока. Опорожнение
происходит самотеком или посредством цен-
тробежного насоса.
Вертикальные резервуары для хранения
молока большого объема (50, 100 м3 и более)
устанавливают вне помещения при температу-
ре окружающего воздуха ± 40 °C.
Техническая характеристика вертикаль-
ных резервуаров для хранения молока приве-
дена в табл. 5.45.
Рис. 5.93. Вертикальный резервуар
для хранения молока:
/ - центробежный насос; 2 - люк; 3 - эжектор;
4 - теплоизоляция; 5 - резервуар; 6 -поплавок;
7 - вентиляционное устройство; 8 - моечное устрой-
ство; 9 - осветительное устройство; 10- лестница
5.45. Техническая характеристика вертикальных резервуаров для хранения молока
Параметр Объем
2,5 6,3 25 50 100
Продолжительность переме- шивания молока после хране- ния в течение 4 ч, мин 15 15 20 20 20
Частота вращения вала насоса, с’1 46,7 46,7 46,7 46,7 46,7
Установленная мощность элек- тродвигателя насоса, кВт Диаметр условного прохода, мм: 0,75 0,75 1,75 5,5 10,0
сливного патрубка 50 50 80 80 80
патрубка для подачи моющего раствора 50 50 50 50 50
Габаритные размеры, мм, дли- 1640 х 1520х 2324х2120х 3030х3100х 4730 х 3450 х 4730 х 3450 х
на х ширина х высота х3165 х 2855 х 5310 х 8960 х 16500
Масса, кг 620 1290 3000 9450 16500
272
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
Рис. 5.94. Вертикальные резервуары для хранения
молока типа FL-40, FL-63, FL-100 (Польша):
/ - облицовка; 2 - верхнее днище; 3 - термометр;
4 - люк; 5 - привод мешалки; 6 - опора;
7 - устройство для отвода продукта;
8 - нижнее днище; 9 - лестница
Резервуары для хранения молока зару-
бежных фирм. Ряд зарубежных фирм изготов-
ляют резервуары малого и большого объема
для хранения молока, вертикального и гори-
зонтального типа, прямоугольной и цилиндри-
ческой формы.
Вертикальные резервуары для хранения
молока типа FL-40, FL-63, FL-100 (Польша)
(рис. 5.94) имеют верхнее 2 и нижнее 8 кониче-
ские днища. На верхнем днище имеется люк 4.
Все части, соприкасающиеся с продуктом, из-
готовлены из кислотостойкой стали. Боковая
поверхность и днище имеют теплоизоляцию,
что позволяет создавать внутри резервуара
условия, близкие к изотермическим. Привод
механического перемешивающего устройства
осуществляется от электродвигателя через чер-
вячную передачу.
Резервуар оснащен измерительной рей-
кой, лампой, турбинной мешалкой для мойки
внутренней поверхности. Техническая харак-
теристика резервуаров для хранения молока
типа FL-40, FL-63 и FL-100 приведены в
табл. 5.46.
Горизонтальные и вертикальные резер-
вуары для хранения молока фирмы Ahlborn
(Германия) неизолированные моделей 695 и
692 и теплоизолированные моделей 696 и 963
объемом 1...70 м3. Вертикальные резервуары
для хранения мод. 692 выпускаются как с пло-
ским, так и со сферическим нижним днищем.
У вертикальных резервуаров моделей 692
и 693 турбинная мешалка расположена верти-
кально и имеет верхний привод. С целью луч-
шего перемешивания молока мешалка распо-
ложена не по центру корпуса, а смещена от
внутренней поверхности на 1/3 его диаметра.
Корпуса резервуаров для хранения молока
изготовляют как из алюминия (99,5 %), так и из
хромоникелевой стали.
Резервуары для хранения молока фирмы
Cherry Burrell (США) - горизонтальные с теп-
лоизоляцией цилиндрической формы типов С и
G и прямоугольной формы типов GR и GEW.
Резервуары типа G, предназначенные не только
для хранения, но и для нагревания и охлажде-
ния жидких молочных продуктов, могут быть
изготовлены с системой охлаждения или без
нее и имеют 11 вариантов по объему.
Нагревательно-охладительная система
может быть двух видов: в модели GHS охлаж-
дение или нагревание наружной поверхности
корпуса производится орошением, а в моделях
GHW ; GHW 1/4 и GHWE - посредством теп-
лообмена со змеевиком. В качестве хладагента
используются фреон или аммиак, а в качестве
тепло- и хладоносителя - пар, горячая вода,
охлажденная вода др. Горизонтальные резер-
вуары имеют объем 4...38 м3, а вертикальные -
4. ..30 м3.
5.46. Техническая характеристика резервуаров для хранения молока
типа FL-40, FL-63, FL-100 (Польша)
Тип Объем, м3 Размеры, мм Мощность электродви- гателя, кВт Частота вращения мешалки, с'1 Масса, кг
длина ширина высота
FL-40 4 1738 1910 2920 0,6 0,78 800
FL-63 6,3 2138 2310 3040 1,0 0,78 950
FL-100 10 2338 2510 3700 L0 0,78 1260
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ СЫРЬЯ И ПОЛУФАБРИКАТОВ
273
Резервуары для хранения молока фирмы
Pasilac (Дания) - горизонтальные и вертикаль-
ные типов MAR MAV. Объем горизонтальных
резервуаров 1,6... 30 м3, а вертикальных 1... 30 м3.
Вертикальные резервуары типов TUS-3,
TUS-6, TUS-10 и TUS-15 (Чехия) объемом 3, 6,
10 и 15 м3 применяются для хранения сырого и
пастеризованного молока. Резервуар такого
типа представляет собой вертикальный ци-
линдр со сферическим верхним и нижним
днищами, теплоизолированный стекловатой
(рис. 5.95). На верхнем днище размещены пат-
рубок 4 подачи молока, осветительное устрой-
ство 6, вентиляционный клапан и моечное уст-
ройство (внутри). На цилиндрической части
размещены: перемешивающее устройство 9,
люк 2, кран для отбора проб и термометр 10.
Корпус и облицовка выполнены из алю-
миния, а винт и вал мешалки из коррозионно-
стойкой стали. Техническая характеристика
резервуаров приведена в табл. 5.47.
Резервуары для хранения молока типов
XZB, BZB, ВБ, ВИ и В (Болгария) изготовляют
горизонтальными и вертикальными, теплоизо-
лированными и без изоляции. Корпус выпол-
нен в виде цилиндра с двумя коническими
днищами.
Резервуар имеет регулируемые по высоте
опоры. Перемешивание продукта осуществля-
ется с помощью насоса и системы трубопрово-
дов. Резервуары оснащены указателем уровня
молока и термометром, их объем 1... 16 м3.
Рис. 5.95. Вертикальные резервуары для хранения
молока типа TUS-3 и TUS-6 (Чехия):
/ - спускной кран; 2 - люк; 3 - уровнемер;
4 - патрубок подачи продукта;
5 - вентиляционное устройство;
6 - осветительное устройство; 7 - патрубок подачи
моющего раствора; 8 - лестница;
9- перемешивающее устройство;
10 - циферблатный термометр; / / - опора
5.47. Техническая характеристика вертикальных резервуаров хранения
типа TUS (Чехия)
Тип Объем, м3 Размеры, мм Диаметр сливного патрубка, мм Масса, кг
высота ширина диаметр
TUS-3 3 2800 2300 1700 50 710
TUS-6 6 3260 2600 2000 50 980
TUS-10 10 3925 2826 2313 50 2224
TUS-15 15 4465 3106 2613 50 2800
5.6.2. РЕЗЕРВУАРЫ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ
ВИНОМАТЕРИАЛОВ И ВИН
Обычно на предприятиях виноделия ре-
зервуары для хранения вина и виноматериалов
предназначены для выполнения технологиче-
ских операций. В винодельческой промышлен-
ности используются металлические и железо-
бетонные резервуары. Последние применяют
для дображивания и хранения виноматериалов
и вин. Резервуары имеют прямоугольную или
цилиндрическую форму обьемом 20... ПО м3.
Одним из преимуществ железобетонных резер-
вуаров является их низкая стоимость и долго-
вечность.
274
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
Металлические резервуары по сравне-
нию с железобетонными легче моются, герме-
тичны (потери вина на испарение минималь-
ные). На рис. 5.96 показан резервуар для хра-
нения вина горизонтального типа. Внутренняя
поверхность резервуара покрыта эмалью. На
переднем днище имеется люк 3, закрываемый
крышкой. Заполняют резервуар через отвер-
стие /, закрываемое пробкой. Слив продукта
осуществляют через кран 2.
Уровень вина в резервуаре определяют по
мерному стеклу 4. В верхней части резервуара
имеется патрубок / для выпуска образующихся
газов и выпуска воздуха.
Металлический резервуар вертикального
типа состоит из корпуса / с днищами 2 и 3, лю-
ками 9 и 8 (рис. 5.97). Выпуск вина осуществ-
ляется через трубу 7, а осадка - через патрубок
5. Отбор проб вина из резервуара производится
через кран 6. Уровень вина определяется по
мерному стеклу 10. Резервуар устанавливается
на опорах 7.
В табл. 5.48 приведена техническая ха-
рактеристика горизонтальных металлических
резервуаров для хранения вин и виноматериа-
лов.
Резервуары для хранения спирта. На
спиртовых и ликерно-водочных заводах для
хранения спирта применяются вертикальные и
горизонтальные цилиндрические стальные
резервуары. Вертикальные изготовляют из
углеродистой стали СтЗ. Они состоят из ци-
линдрического корпуса, верхнего и нижнего
днищ. У резервуаров объемом до 1000 м3 кор-
пус и днища изготовляют из стальных листов
толщиной 4 мм. Днища резервуаров устанав-
ливают на фундаментах.
Резервуары для хранения спирта большо-
го объема (4600 м3) размещают на открытом
воздухе.
Смотровой люк, расположенный на верх-
нем днище, служит для проветривания и осве-
щения резервуара во время ремонта. Нижний
люк служит лазом при чистке и ремонте. Ре-
зервуар снабжен устройством для измерения
уровня спирта.
Заливают спирт через наливную трубу,
а опорожняют через сливную трубу с запор-
ным клапаном, размещенную в нижней точке
днища. Резервуар снабжен воздушным и гид-
равлическим предохранительными клапа-
нами.
Рис. 5.96. Металлический резервуар горизонтального типа для хранения вина
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ СЫРЬЯ И ПОЛУФАБРИКАТОВ
275
Рис. 5.97. Металлический резервуар вертикального типа для хранения вина
5.48. Техническая характеристика
горизонтальных стальных эмалированных
резервуаров для хранения винопродуктов
Параметры Объем, м3
12,5 16
Давление, МПа 0,07 0,07
Размеры, мм: внутренний диаметр внутренняя длина 2000 ± 5 4500 ± 40 2000 ± 5 5350 ±40
Габаритные раз- меры, длина х ши- рина х высота 4700 х 2050 х х 2600 5500 х 2050 х х 2600
Масса, кг 3100 3400
5.6.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ
ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
Резервуары большого объема для раз-
личных пищевых продуктов. Зарубежные
фирмы выпускают резервуары большого объе-
ма различных размеров и конструкций, отли-
чающиеся степенью автоматизации. Наиболее
часто это вертикальный цилиндр с коническим
верхним и наклонным нижним днищами. Такие
резервуары устанавливают вне здания, обычно
в ряд до шести штук с общей площадкой об-
служивания и лестницей.
Специальные коробки со средствами
управления размещают в помещениях, что
облегчает обслуживание резервуаров.
276
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
Резервуары типа MAN фирмы Pasilac
(Дания) объемом 32...202 м3 для хранения раз-
личных пищевых продуктов выпускаются в
двух исполнениях А и В и в трех модификаци-
ях - без изоляции, с теплоизоляцией (шлакова-
та или стекловата) толщиной 50 и 100 мм. Объ-
ем исполнения А составляет 32...76 м3, а ис-
полнения В - 93...202 м3. В резервуарах ис-
полнения А одна мешалка, а исполнения В -
две с расстоянием между ними 1 м. Материал
корпуса - коррозионно-стойкая сталь. Техни-
ческая характеристика резервуаров типа MAN
приведена в табл. 5.49.
Резервуары для хранения различных пи-
щевых продуктов других зарубежных фирм
незначительно отличаются от резервуаров типа
MAN. Так, известная фирма Alfa Laval (Шве-
ция) выпускает резервуары объемом 30...
125 м3 трех типов: TS (без изоляции), TSI и
TSSI (с теплоизоляцией); объединение
Komplex (Венгрия) производит резервуары
объемом до 125 м3 для хранения различных
пищевых продуктов; Cherry-Burrell (США) -
типов SV и SVW объемом 113 м3 и более, фир-
мы St. Regis (США) и Goavec (Франция) - объ-
емом 42. 151 и 200 м3.
Для теплоизоляции резервуаров исполь-
зуются различные материалы: полиуретан,
пробка, монолитный пенопласт и стекловолок-
но, соответственно имеющие толщины 50, 112,
117 и 198 мм. Резервуары типа SVW (США)
имеют наг рева! ельно-охлади гельную систему
змеевиковою типа
Резервуары для хранения сыпучего
сырья. Достаточно широкое распространение
имеет бестарное хранение сахара-песка, зерна,
муки и других сыпучих материалов в силосах.
Резервуары для хранения сахара-песка -
силосы имеют прямоугольную или цилиндри-
ческую форму. Устройство силоса цилиндри-
ческой формы, изготовленного из алюминия,
показано на рис. 5.98. В нижней части силоса
имеется аэрируемое днище с микропористой
плитой 7 из порошкового материала и кониче-
ским регулятором-рассекателем 8. Рыхление и
проталкивание сахара при разгрузке осуществ-
ляется вибропобудителем /.
5.49. Техническая характеристика вертикальных резервуаров
типа MAN фирмы Pasilac (Дания)
Объем, м^ Размеры, мм Число мешалок Диаметр выпускающего патрубка, мм Испол- нение
без изоляции с изоляцией толщиной 50 мм с изоляцией толщиной 100 мм
32 3340/4700 3460 / 4760 3560/4820
41 3340 / 5700 3460 / 5760 3560/ 5820
54 3340 / 7200 4360 / 7260 3560/7320 - 76,2 А
63 3340 / 8200 3460 / 8260 3560/8320
76 3340/9700 3460 / 9820 3560/9820
93 3820/9300 3940/9360 4040 / 9420
105 3820/10300 3940/ 10360 4040/10420
116 3820/ 11300 3940/11360 4040/ 11420
133 3820/12800 3940 / 12860 4040/ 12920 2 101,6 В
145 3820/13800 3940/13860 4040/ 13920
156 3820/ 14800 3940/ 14860 4040/ 14920
179 3820/ 16800 3940/ 16860 4040/ 16920
202 3820/18800 3940/18860 4040/ 18920
Примечание. В числителе даны значения диаметра, а в знаменателе - высоты.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ СЫРЬЯ И ПОЛУФАБРИКАТОВ
277
Рис. 5.98. Цилиндрический силос
с аэрируемым днищем
Воздух через патрубок 10 поступает в аэ-
рокамеру 9. Загрузка сахара осуществляется
через сопло 6 по трубе 3. Загрузка силоса про-
изводится через трубу 5. Вытеснение сахара из
силоса осуществляется сжатым воздухом, по-
ступающим из патрубка 4. В верхней части
силоса размещены фильтры 2.
Резервуары для хранения муки. На хлебо-
пекарных и макаронных предприятиях для
хранения муки применяют металлические или
железобетонные силосы. Металлический силос
состоит из цилиндрической и конических час-
тей, изготовленных из листовой стали. Нижняя
коническая часть силоса облицована микропо-
ристой плиткой; в пространства между плит-
кой и металлической стенкой подается сжатый
воздух. При прохождении воздуха через плит-
ку, он аэрирует муку и обеспечивает свобод-
ный ее выход из силоса.
Техническая характеристика металличе-
ских силосов для хранения муки приведена в
табл. 5.50.
Силосы из монолитного или сборного
железобетона представляют собой резервуары
прямоугольного сечения размером 2,5 х 2,5;
2,5 х 3; 3 х 3 м.
5.50. Техническая характеристика металлических силосов
Показатели Обьем, м3
48,8 52,9 55,2 ПО
Площадь пористого днища, м2 1,2 1,2 1,2 -
Давление воздуха под днищем, МПа 0,45 0,45 0,45 -
Расход воздуха на аэрирование при разгрузке силоса, м3/с 0,08 0,08 0,08 0,08
Расход воздуха на предотвращение сводообра- зования, м3/с 0,05 0,05 0,05 0,05
5.6.4. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ
Объем резервуаров для хранения (м3) оп-
ределяется по формуле
и = [ |
I 4 J
где DBH - внутренний диаметр, м; Н(Л) -
высота в вертикальных резервуарах или сред-
няя длина в горизонтальных, м.
Средняя длина горизонтальных резервуа-
ров, м, имеющих глубину выпуклости днищ h,
определяется по формуле
L-1 + h ,
где / - длина цилиндрической части, м.
Пропускная способность резервуаров за-
висит от продолжительности цикла тц , ч, кото-
рая складывается из продолжительностей на-
полнения тн , хранения тх и опорожнения т0 :
ТЦ “ ТН + тх + то •
278
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
С учетом продолжительностей цикла и
смены определяется пропускная способность
М резервуара, м3:
М = V тсм Лц •
При опорожнении горизонтальных резер-
вуаров самотеком расчет продолжительности
этого процесса выполняют по формуле, с,
то ~ И//wmax ’
где wmax - наибольшая скорость истечения, м/с.
Скорость истечения w, м/с, определяют
по формуле
w = ^2gHcr ,
где ц - коэффициент расхода, зависящий от
вязкости вытекающей жидкости; Нст - высота
столба продукта от сливного патрубка до уров-
ня продукта в резервуаре, м.
Время опорожнения вертикальных резер-
вуаров при прекращении притока в них жидко-
сти определяют по формуле, с,
где f - площадь поперечного сечения выход-
ного патрубка, м2.
Количество теплоты, воспринимаемое
продуктом при хранении, Дж,
Q = mc(tK-t„),
где т - количество продукта в резервуаре, кг;
с - удельная теплоемкость продукта,
Дж/(кг-К); /к и /н — соответственно конечная
и начальная температура продукта, °C.
Это же количество теплоты может быть
определено из уравнения теплопередачи:
Q = kFМх ,
где к - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 К);
F - площадь поверхности резервуара, м2;
М - средняя разность температур между про-
дуктом и окружающей средой, К; т - продол-
жительность хранения продукта в резервуаре, с.
Для резервуаров с термоизоляцией может
быть принято к = 1... 1,5 Вт/(м2К).
Площадь поверхности цилиндрического
резервуара, м2,
F = л£>/ + 0,5л£>2,
где D - внутренний диаметр резервуара, м;
I - средняя внутренняя длина или высота ре-
зервуара, м.
Мощность, потребляемая мешалками
пропеллерного типа при перемешивании про-
дукта, кВт,
^=0,0l/W4'3V'V'7V
где Я - коэффициент: А = 1,5...2,0; d- диаметр
мешалки, м; п - частота вращения мешалки,
мин-1;' р - плотность жидкости, кг/м3; ц -
динамическая вязкость жидкости, Па с.
Коэффициент теплоотдачи через стенку,
Вт/(м2 К), с учетом сравнительно малой кри-
визны ее поверхности
oq X,- а2
где oq - коэффициент теплоотдачи от внеш-
2
ней среды, Вт/(м К); У— - сумма термине-
К
ских сопротивлений всех слоев стенок резер-
вуара; (м2 К)/Вт; а2 - коэффициент теплоот-
дачи от внутренней металлической стенки к
продукту, Вт/(м2 К).
Значения коэффициентов cq и а2 мож-
но определить по формулам:
а, =1,024р^--,
1 V D
а2 — 112 yjtвс — < п ,
гДе Gic ~ температура наружной поверхности
стенки, К; /в - температура внешней сре-
ды, °C; D - наружный диаметр резервуара, м;
fBC - температура внутренней поверхности
стенки емкости, К; - температура продукта
в емкости, К.
Толщина слоя теплоизоляции, м,
^из “ ^из “
1-Р-+У^-+— 1
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МОЙКИ ТАРЫ
279
где ^из - коэффициент теплопроводности
изоляции, Вт/(м2 К); - сумма терми-
ческих сопротивлений всех слоев стенки ре-
зервуара, исключая слой изоляции, (м2К)/Вт.
Коэффициенты теплоотдачи oq и 0^2
зависят от ряда факторов: скорости движения
воздуха в здании, интенсивности перемешива-
ния продукта в резервуаре и др. При выполне-
нии ориентировочных расчетов можно пользо-
ваться следующими данными. При сравни-
тельно медленном движении воздуха прини-
мают cq = 4 Вт/(м2 К), а в случае интенсивно-
го движения воздуха oq < 25 Вт/(м2 К), а зна-
чение а2 500 Вт/(м2 К), а в случае отклю-
ченной мешалки 0С2 <150 Вт/(м2 К). Коэффи-
циент запаса для толщины слоя изоляции при-
нимают равным 15...20 % расчетного значе-
ния.
5.7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МОЙКИ ТАРЫ
В консервном производстве применяется
два вида тары: 1) герметичная металлическая,
стеклянная и некоторая полимерная; 2) негер-
метичная деревянная, бумажная, картонная.
Мойке подвергается в основном стеклянная
тара.
В консервной промышленности исполь-
зуются банки номинальным объемом
0,2...10 дм3 (табл. 5.51). В соответствии
со стандартом банки объемом до 1 дм3 долж-
ны выдерживать внутуреннее избыточное
давление 400 Па, объемом 1 ...3 дм3 - не менее
300 кПа, а объемом З...Юдм3 - не менее
150 кПа.
Консервные банки должны обладать тер-
мостойкостью - выдерживать перепад темпе-
ратур в 45 °C при объеме до 1 дм3 и 40 °C при
объеме свыше 1 дм3.
Типы моечных машин. Новая стеклян-
ная тара подвергается ополаскиванию чистой
теплой питьевой водой в устройствах различ-
ной конструкции. Оборотную стеклянную тару
моют на банкомоечных машинах типов:
СП-60М, СП-70 и СП-72.
С наружной поверхности моют металли-
ческие и стеклянные банки с продуктом после
стерилизации.
Машины для мойки порожней тары.
Машина СП-60М предназначена для мойки
стеклянных банок объемом 5, 6,5, 8 и 10 дм3.
Техническая характеристика машины СП-60М
приведена ниже.
Производительность, банок/ч..... 3000
Длительность кинематического
цикла, с......................... 12
Продолжительность пребывания
банок в машине, мин............. 13,4
Объем моющего раствора в отмоч-
ной ванне, м3................... 2,4
Расход воды при давлении
0,15 МПа, м3/ч.................. 7,1
Давление пара, МПа.........
0,04... 0,05
5.51. Размеры стеклянных банок, используемых для фасования плодоовощных консервов
Номер венчика горловины Объем, дм3 Диаметр цилиндрической части, мм Общая высота банки, мм Масса 100 шт., кг, не более
номинальный полный
58 0,2 0,225 64_, 100.J 15,5
58 0,25 0,280 71-2 100-J 17,0
68 0,35 0,385 72.2 125_2 21,0
82 0,5 0,560 89_2 118_2 25,5
82 0,65 0,7 89-2 141_2 30,0
82 0,8 0,865 93-2 162_2 35,5
82 1,0 1,06 105.2 162_2 41,0
82 2,0 2,08 133.2 207_3 75,0
82 3,0 3,2 154_2 236-з 96,0
82 10,0 10,3 220-4.5 380-4 240,0
280
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
Жесткость воды, мг-экв/л,
не более...................... 3,5
Температура воды, °C.......... 5...50
Давление раствора в системе, МПа:
водного шприцевания........... 0,15...0,25
щелочного шприцевания.......0,1...0,15
Установленная мощность электро-
двигателей, кВт................... 18
Габаритные размеры, мм.... 6400x2700x2400
Масса:
без моющего раствора и банок ... 85
с моющим раствором и банками ... 13
Моечная машина СП-60М (рис. 5.99)
представляет собой закрытый сварной корпус,
в нижней части которого расположены две
моечные ванны для моющего раствора и воды,
а в верхней - ванна для оборотной воды.
Банки подводятся к машине и отводятся
от нее пластинчатыми конвейерами 8. Банки с
конвейера загрузки подаются на аккумулятор
10 и стол загрузки, затем планками механизма
загрузки И - в гнезда носителей 5. Носители
основного конвейера 6 с банками входят в пер-
вую водяную отмочную ванну 12, температура
воды в которой 40...45 °C. На петле перехода
из первой ванны во вторую вода из банок вы-
ливается в первую ванну, банки погружаются
в моющий раствор второй ванны 13 с темпера-
турой 80...85 °C. Носители с банками движут-
ся вверх по наклонной направляющей / и два-
жды обрабатываются моющим раствором в
шприцевальной системе 3.
Выйдя на верхний прямой участок ванны
4, банки подвергаются внутреннему шприцева-
нию в трех позициях и наружному в двух по-
зициях оборотной нолой v температурой 40...
45 °C. Затем банки по 2 раза шприцуются
внутри и снаружи чистой водой с температу-
рой 50...55 °C. При дальнейшем движении но-
сителей остатки воды стекают с внутренней и
наружной поверхности банок.
Для подогрева моющего раствора во вто-
рой отмочной ванне установлены подогревате-
ли 14. Вода в первой отмочной ванне подогре-
вается путем подачи оборотной воды из верх-
ней ванны через вентиль, а в период подогрева -
путем барботирования паром. Чистая горячая
вода для шприцевания банок подогревается
барботированием пара непосредственно в воду
в специальной ванне.
Механизм 2 удаления этикеток представ-
ляет собой вращающийся сетчатый барабан,
внутри которого размещен лоток для сбора
этикеток. Привод вала барабана осуществляет-
ся от двигателя. Механизм 7 выталкивает вы-
мытые банки на конвейер. На электродвигателе
9 привода машины установлено реле контроля
скорости, позволяющее почти мгновенно оста-
новить электродвигатель.
Рис. 5.99. Моечная машина для банок СГ1-60М
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МОЙКИ ТАРЫ
281
Машина СП-70 предназначена для мойки
стеклянных банок объемом 2 и 3 дм3. Техниче-
ская характеристика машины СП-70 приведена
ниже.
Производительность, банок/ч.... 1200
Длительность кинематического
цикла, с....................... 17,54
Продолжительность пребывания
банок в машине, мин............ 18
Расход:
водопроводной воды при давле-
нии 0,15 МПа, м3/ч.............. 8
пара, кг/ч..................... 700
Давление пара, МПа:
поступающего в машину.......... 0,3...0,5
при ошпаривании банок........ 0,02...0,05
в системе шприцевания........ 0,1...0,2
Жесткость воды, мг-экв/л,
не более......................... 3,5
Температура, °C, не менее:
водопроводной воды................ 10
воды при шприцевании......... 60...95
моющего раствора в ванне:
первой....................... 40...45
второй.................... 80...85
Объем моющего раствора, м3,
в ванне:
первой....................... 2
второй....................... 4
Установленная мощность электро-
двигателей, кВт................ 18,6
Габаритные размеры, мм..... 7150x2700x2470
Масса, т:
без моющего раствора и банок . .. 8,94
с моющим раствором и банками ... 14,25
Машина СП-70 явдяегся цепной отмочно-
шприцевальной (рис. 5.100). Банки поступают
на конвейер загрузки 16, который подает их на
аккумулятор 15, по мере заполнения которого
банки разделяются на семь ручьев и подаются
к столу 14 механизма загрузки. Планка-
толкатель механизма загрузки захватывает
семь банок, подводит к носителям и заталки-
вает банки в их гнезда, а затем в первую от-
мочную ванну.
На петле перехода из первой ванны во
вторую раствор из банок сливается обратно в
ванну, а банки погружаются в моющий раствор
второй ванны для окончательной отмочки.
После отмочки во второй ванне носители с
банками, наполненными моющим раствором,
поднимаются по наклонной направляющей, где
дважды шприцуются через трубы 5 и 9 и опо-
ласкиваются моющим раствором, стекающим с
лотка //. При повороте носителей на звездоч-
ке 6 натяжного вала на горизонтальную плос-
кость моющая жидкость, находящаяся в бан-
ках, сливается. В зоне 4 щелочного шприце-
вания происходит шприцевание внутренней
Рис. 5.100. Моечная машина СП-70
282
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
полости банок в четырех позициях через
шприцевые трубы и два дырчатых корыта. В
зоне 2 шприцевания оборотной водой шприце-
вание внутренней поверхности происходит на
восьми позициях, а наружное - на четырех. В
ванночку 3 стекает вода с большим содержани-
ем щелочи.
Затем осуществляются внутреннее шпри-
цевание и наружное ополаскивание банок во-
допроводной водой с температурой 60...95 °C
и окончательная их обработка паром.
Вымытые банки по направляющей 1 по-
даются к механизму выгрузки 17, а затем на
конвейер выгрузки. В задней части корпуса
имеется отсек 7 для сбора этикеток. Для удер-
жания банок в носителях в отмочных ваннах
установлены направляющие 10, 12 и 13. Акку-
мулятор представляет собой стол-рольганг.
Машина СП-72 предназначена для мойки
новых или оборотных стеклянных банок объе-
мом 0,5; 0,65; 0,8 и 1,0 дм3. Техническая харак-
теристика машины СП-72 приведена ниже.
Производительность, банок/ч .. . 6000
Длительность кинематического
цикла, с..................... 9,4
Продолжительность пребывания
банок в машине, мин........... 12,4
Расход:
водопроводной воды при дав-
лении 0,15 МПа, м3/ч....... 15
пара, кг/ч................... 800
Давление пара, МПа:
поступающего в ванну......... 0,3...0,25
при ошпаривании банок на
выходе из машины...........0,02...0,05
в системе шприцевания...... 0,1...0,25
Температура, °C:
поступающей в машину водо-
проводной воды, не менее .... 10
оборотной воды в ванне..... 60...95
подогретой водопроводной
воды....................... 60...95
щелочного раствора в ванне:
первой.................. 40...45
второй.................. 80... 85
Жесткость воды, мг-экв/л, не бо-
лее ........................... 3,5
Объем моющего раствбра, м3, в
ванне:
первой щелочной............ 2
второй щелочной............ 3,8
оборотной воды............. 3,2
Установленная мощность элек-
тродвигателей, кВт........... 19,2
Габаритные размеры, мм ... . 6420x3450x2450
Масса, кг:
без моющего раствора и банок . .. 13500
с моющим раствором и банками ... 20900
Машина СП-72 (рис. 5.101) по принципу
действия является цепной отмочно-шприце-
вальной, имеет ритмично прерывистое движе-
ние основного конвейера с банконосителями.
Загрузка банок с подводящего конвейера
в машину, все операции мойки и выгрузки их
на отводящий конвейер происходят автомати-
чески.
Банки поступают на конвейер загрузки 1,
затем на аккумулятор 16, по мере заполнения
которого распределяются на шестнадцать
ручьев и подаются к столу механизма загрузки
15. Планка-толкатель механизма загрузки за-
хватывает снизу шестнадцать банок, по труб-
чатым направляющим подходит к банконоси-
телям 11, находящимся в это время в верхнем
положении и заталкивает банки в гнезда носи-
телей. После предварительной отмочки в пер-
вой и во второй ванне. Затем банки шприцуют-
ся через трубы 9 и ополаскиваются моющим
раствором с лотка 10.
При повороте носителей на звездочке 6
натяжного вала на горизонтальную плоскость
выливается моющая жидкость, находящаяся в
банках. Носители подводят банки в зону ще-
лочного шприцевания, внутренней полости в
четырех позициях и наружного ополаскивания
щелочным раствором из труб 5 и короба 4. В
третьей ванне (верхней) с горячей оборотной
водой осуществляется отмочка банок.
Во время остановки носителей в банки с
горячей водой вводятся сопла, через которые
внутрь банок подается пар. В результате бар-
ботажа острым паром интенсифицируется про-
цесс мойки. После шприцевания внутренней
поверхности банок на четырех позициях и на-
ружного ополаскивания на двух позициях осу-
ществляются внутреннее и наружное ополас-
кивание подогретой водопроводной до темпе-
ратуры 60...95 °C водой и окончательная обра-
ботка паром. После ошпаривания банки по
направляющим поступают к механизму вы-
грузки 14 и конвейером 2 выгрузки подводятся
к месту розлива продукта.
В задней части корпуса 3 имеется отсек 8
для сбора этикеток. Для удержания банок в
кассете имеются направляющие 7, 12, 13.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МОЙКИ ТАРЫ
283
Рис. 5.101. Моечная машина СП-72
Машины для мойки наполненных ба-
нок. Машины типа А9-КМ предназначены для
мойки и сушки наполненных стеклянных ба-
нок, прошедших стерилизацию. Техническая
характеристика моечно-сушилных машин при-
ведена в табл. 5.52.
Основными узлами машин являются за-
грузочная секция, цепной конвейер, моечная
камера, камера сдувания капель, сушильная
камера, разгрузочная секция и привод.
Банки подаются к машине, стоя в один
поток, приводным конвейером, на площадке
загрузочной секции сталкиваются на цепной
конвейер, который проносит их последова-
тельно через камеры: моечную, сдувания капель
и сушильную. Через разгрузочную секцию
банки подаются на следующую операцию. В
моечной камере банки обрабатываются струя-
ми горячей оборотной воды либо моющего
раствора, а затем струями ополаскивающей
воды.
В сушильной камере наружные поверх-
ности банки обдуваются теплым воздухом,
нагнетаемым вентилятором через паровой ка-
лорифер.
Машина 8С1-2М предназначена для суш-
ки наполненных жестяных банок. Основными
узлами машины являются каркас (туннель),
натяжная и приводная станции, воздуходувный
короб, привод. Техническая характеристика
машины 8С1-2М приведена ниже.
5.52. Техническая характеристика моечно-сушильных машин
Параметры А9-КМ2-С А9-КМ-У
Производительность, банок/ч 2520 2520
Объем обрабатываемых банок, дм3 3,5...10 30
Расход:
электроэнергии, кВт ч 16 16
воды, м3/ч 1 1
пара, кг/ч:
для подогрева воды 100 100
для подогрева воздуха 120 120
Габаритные размеры, мм 5500х2000х 1500 5500 х 1800х 1300
Масса, т 1,7 1,75
284
Глава 5. ПОДГОТОВКА, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
Производительность, банок/мин:
№7и9........................ 125
№ 12......................... 100
№ 13..................... 80
Установленная мощность, кВт:
привода вентилятора с нагре-
вателем ..................... 13
привода конвейера........ 0,75
Габаритные размеры, мм...... 6400x910x2750
Масса, т........................ 1,21
Машина 8С1-2М представляет собой ав-
тономный сушильный агрегат туннельного
типа. Процесс сушки осуществляется сбивани-
ем капель влаги с поверхности банок и досуш-
ки пленочной влаги струями воздуха. Влажные
банки из приемного лотка поступают на на-
правляющие каркаса, подхватываются трубка-
ми транспортной цепи и, вращаясь вокруг сво-
ей оси, движутся вверх, при этом обдуваются с
трех сторон встречными струями воздуха, по-
ступающего из сопел короба.
Расчет производительности и расхода
тепловой энергии. Теоретическая производи-
тельность моющих машин с ритмично преры-
вистым движением носителей банок
Qr = 3600mix ,
где т - число гнезд в носителе; т - длитель-
ность кинематического цикла, с.
Техническая характеристика Qv меньше
теоретической, так как при этом должны учи-
тываться коэффициент заполнения носителей
ф|, коэффициент использования кинема-
тического цикла (р2 ’ коэффициент точности
поддержания скорости цепного конвейера фз
и т.п.:
(?техн = (?тФ1Ф2 •••Фи •
Длительность движения конвейера
^дв = ат = Q ’
где а - часть кинематического цикла, затра-
чиваемая на движение, Q - производитель-
ность, банок/с.
Аналогично длительность покоя
тп = рт = Рот/0.
При этом а + р = 1 , где р - часть кинематиче-
ского цикла, затрачиваемого на остановку.
Общая продолжительность шприцевания
тшп =Тп.5 = Р/И5/2,
где 5 - число шпринцеваний.
Общая продолжительность отмочки
=mPlQ,
где р - относительное количество носителей,
одновременно погруженных в жидкость.
Продолжительность мойки
Pots тр т
т = тшп + т0 = —+ —= - (Ps + P )•
Тепловой расчет моечной машины прово-
дится с составлением теплового баланса, при
котором учитывается количество теплоты:
Ql - вносимой стеклянной тарой,
Q = QGcxtx-
Q2 - вносимой водопроводной водой,
бг = wb;
Q1 - вносимой паром, - Di;
- уносимой стеклянной тарой,
04 = QcGc\ty.
- уносимой водой в канализацию,
05 = от/4
Q& - отводимой конденсатом,
06=Г>/К;
Q7 - теряемой в окружающую среду,
07 =Га(/5 -<6).
где G - масса одной банки, кг; q - удельная
теплоемкость стекла, кДж/кг; t\ - температура
стеклотары, поступающей в машину, °C; и’ -
расход свежей воды, поступающей в машину,
дм3/с; Z2 _ температура свежей воды, °C; D -
расход пара, необходимый для нормальной
работы машины, кг/с; / - теплосодержащие
греющего пара, кДж/кг; /к - температура кон-
денсата, °C; /3 - температура стеклянной тары
при выходе из машины, °C; /4 - температура
воды, сливаемой в канализацию, °C; F - пло-
щадь поверхности теплоизлучения корпуса
моечной машины, м2; а - коэффициент теп-
лоотдачи, Вт/(м2 °C); /5 - средняя температура
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
285
корпуса моечной машины, °C; Ц - средняя тем-
пература воздуха в помещении, °C.
Тепловой баланс выразится уравнением
01 + 02 +03 = 04 +05 + 06 + 07 •
Решая уравнение теплового баланса, по-
лучим расход пара (кг/ч):
g_0Gg(/| -/2) + w(/4-/2) + Fa(/5-/6)
Расчет моечной машины на прочность
проводят так же, как конвейера, прерывистое
движение которого осуществляется храповым
механизмом. Рассматривая цепной конвейер с
одной ведущей звездочкой и с несколькими
направляющими зубчатыми колесами, рассчи-
тывают необходимое тяговое усилие. По этому
значению определяют: потребную мощность
привода, крутящий момент на приводном валу.
При расчете цепного конвейера вводится
специальный коэффициент, учитывающий ус-
ловия работы (температурные колебания воды,
моечных растворов и др.).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Механическое оборудование предпри-
ятий общественного питания / В.Д. Елхина и
др. М.: Экономика, 1981.320 с.
2. Сукманов В.А. Повышение техниче-
ского уровня и качества оборудования для ме-
ханической обработки продуктов питания:
Донецк: РИП «Лебедь», 1995. 236 с.
3. Предтеченский Н.А. Механическое
оборудование предприятий общественного
питания / Под ред. В.Н. Шувалова и др. М.:
«Экономика», 1975. 224 с.
4. Данные об оборудовании для предпри-
ятий общественного питания. Основные тех-
нические параметры серийного оборудования и
новой техники / Комитет РФ по торговле. Все-
российский институт питания, 1995. 142 с.
5. Топольник В.Г. Количественная оцен-
ка качества оборудования общественного пи-
тания. Донецк: Кассиопея, 1998. 196 с.
6. Борискин М.А., Гортинский В.В.,
Демский А.Б. Сепарирующие машины зерно-
перерабатывающих предприятий (динамика,
расчет и конструироание). М.: Машинострое-
ние, 1979. 109 с.
7. Оборудование для производства муки
и крупы: Справочник / А.Б. Демский и др.
СПБ: Издательство «Профессия», 2000. 624 с.
8. Технологическое оборудование муко-
мольного производства / В.А. Бутковский и др.
М.: ГП «Журнал Хлебопродукты», 1999. 208 с.
9. Процессы сепарирования на зернопе-
рерабатывающих предприятиях В.В. Гортин-
ский и др. М.. Колос. 1980 Л)4
10. Соколова А.Я. 1ехноло1 ическое обо-
рудование предприятий по хранению и перера-
ботке зерна. М.: Колос. 1980. 425 с.
11. Волчков И.И., Волчков В.И. Пасосы
для молока и молочных продуктов. М.: Пище-
вая промышленность, 1980. 298 с.
12. Краснокутский Ю.В., Панчен-
ко Ю.Б. Машины и оборудование для получе-
ния цельномолочной продукции. М.: Росагро-
промиздат; 1990. 254 с.
13. Кривченко Г.И. Насосы и гидротур-
бины. М.: Энергия, 1970. 448 с.
14. Николаев Л.К. Насосы пищевой
промышленности. М.: Пищевая промышлен-
ность, 1972. 137 с.
15. Чиняев Н.А. Роторные насосы. Л.:
Машиностроение, 1969.216 с.
16. Чиняев И.А. Лопастные насосы. Л.:
Машиностроение, 1973. 184 с.
17. Зуев Ф.Г. Пневматическое транспор-
тирование на зерноперерабатывающих пред-
приятиях. М.: Колос, 1976. 344 с.
18. Сорокин С.В., Игнатов В.В. Мачи-
хин С.А. Транспортирование жидкой опары
сжатым воздухом И Хлебопекарная и конди-
терская промышленность. 1981, № 8.
19. Зенков Р.Л. Машины непрерывного
транспорта. М.: Машиностроение, 1987. 432 с.
20. Зенков Р.Л., Гриневич Г.П., Иса-
ев В.С. Бункерные устройства М.: Машино-
строение, 1977. 222 с.
21. Конвейеры: Справочник / Под ред.
Ю.А. Пертена. Л.: Машиностроение, 1984. 367 с.
22. Пертен Ю.А. Крутонаклонные кон-
вейеры. Л.: Машиностроение, 1977. 216 с.
23. Мачихина Л.И. Машины вибропнев-
матического принципа действия, применяемые
для очистки зерна от равновеликих минераль-
ных примесей. М.: ЦНИИТЭИлегпищмаш,
1972.63 с.
24. Гаврилова В.А. Аппараты с переме-
шивающими устройствами. М.: ЦНИИТЭИмя-
сомолпром, 1981. 32 с.
25. Гаврилова В.А. Емкостное оборудо-
вание молочной промышленности. М.: Агро-
промиздат, 1987. 121с.
286
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
26. Головань Ю.П., Ильинский Н.А.,
Ильинская Т.Н. Технологическое оборудова-
ние хлебопекарных предприятий. М.: Агро-
промиздат, 1988. 382 с.
27. Зайчик Ц.Р. Технологическое обору-
дование винодельческих предприятий. М.:
Агропром изд ат, 1988. 351 с.
28. Кретов И.Т., Антипов С.Т. Техноло-
гическое оборудование предприятий бродиль-
ной промышленности. Воронеж: Издательство
государственного университета, 1997. 624 с.
29. Технологическое оборудование пред-
приятий молочной промышленности / В.Д. Сур-
ков и др. М.: Легкая и пищевая пром-сть, 1983.
432 с.
30. Технологическое оборудование кон-
сервных и овощесушильных заводов / М.С. .Ами-
нов и др. М.: Колос, 1996. 431 с.
31. Технологическое оборудование хле-
бопекарных и макаронных предприятий / Под
ред. С.А. Мачихина. М.: Агропромиздат, 1986.
263 с.
32. Гореньков Э.С., Бибергал В.Л. Обо-
рудование консервного производства. М.: Аг-
ропромиздат, 1989. 256 с.
33. Скрипников Ю.Г., Гореньков Э.С.
Оборудование предприятий по хранению и
переработке плодов и овощей. М.: Колос, 1993.
336 с.
Глава 6
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ
МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
6.1. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ,
ПЛЮЩЕНИЯ И РЕЗКИ
Процесс измельчения исходного сырья
или полуфабрикатов с целью получения гото-
вой продукции требуемого качества широко
применяется в пищевой и зерноперерабаты-
вающей промышленности при производстве:
муки, крупы, комбикормов, пищеконцентратов,
кофе, какао, кондитерских изделий, минераль-
ных добавок, масла, пива, высокобелковых
добавок животного и растительного происхо-
ждения, продукции, получаемой на предпри-
ятиях массового питания, и т.д.
Практически все способы механического
нагружения материалов с целью их разрушения
(удар, сжатие, истирание, сдвиг, резание) на-
шли применение в тех или иных конструкциях
измельчающих машин. Выбор способа механи-
ческого воздействия на продукт зависит от его
свойств и технологических требований к гото-
вому продукту. Так, Рейс подразделяет все
материалы на десять групп в зависимости от
способа нагружения (табл. 6.1).
Проблемам разрушения материалов по-
священы многие отечественные и зарубежные
исследования, однако до настоящего времени
еще не разработана общая теория, позволяю-
щая достаточно точно объяснить сложные про-
цессы измельчения.
Наиболее достоверные результаты дает
гипотеза, разработанная академиком П.А. Ре-
биндером, которая при некотором уточнении
позволяет правильно подойти к анализу энер-
гозатрат на измельчение того или иного про-
дукта. В обобщенном законе Ребиндера вся
энергия, идущая на измельчение, расходуется
на деформацию тела до момента начала разру-
шения и на образование новых поверхностей
при разрушении. В результате общий расход
энергии
Э = kyV + А^А5, (6.1)
где ky и k$ - коэффициенты, характеризую-
щие процесс; V - объем тела; AS - площадь
вновь образованных поверхностей частиц по-
сле разрушения тела.
Вся энергия представлена в виде суммы
двух энергий, из которых первая определена по
закону Кирпичева - Кика, а вторая - по закону
Реттингера.
На процесс измельчения продуктов
большое влияние оказывает возникновение и
развитие трещин под действием приложенных
нагрузок. Принято считать, что концентрация
энергии по фронту трещин, образовавшихся в
местах дефекта структуры разрушаемого тела,
способствует быстрому разрушению частиц
материала при более низких напряжениях чем
это необходимо для нарушения однородной
структуры тела.
А.А. Гриффитс впервые установил энер-
гетические условия развития трещин. Кроме
того, им определена критическая длина трещи-
ны, по достижении которой трещина после
снятия нагрузки с тела не смыкается полно-
стью. Это приводит к благоприятным условиям
для концентрации напряжений и дальнейшему
развитию трещины при следующем нагруже-
нии. Такие трещины получили название тре-
щин Гриффитса. Их критическая длина в
пределах 1...10 мкм зависит от свойств мате-
риала. Объяснение А.А. Гриффитсом явления
хрупкого разрушения основано на понятии
энергии, необходимой для распространения
трещин.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ, ПЛЮЩЕНИЯ И РЕЗКИ
287
6.1. Способы механического воздействия
в зависимости от свойств измельчаемых материалов (по Рейсу)
Свойства материала Способ нагружения
сжатие удар истирание отраженный удар срез резание
Твердый: скалывающийся X X — X —
хрупкий X X - X - -
вязкий X X — — - —
Средней твердости X X - X о -
Упругий, мягкий - - X - X X
Волокнистый о - X X X X
Чувствительный к теп- - о - о X X
лоте Влажно-пластичный о - X - X X
Мягкий: хрупкий X X X X X X
вязкий X X о о X X
Примечание. Условные обозначения способа: х - пригодный; ° - условно пригодный;-не
пригодный.
6.1.1. ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ УДАРОМ
Теория удара. Зерновые культуры и дру-
гие виды сырья, измельчаемые в зерноперера-
батывающей промышленности, имеют незна-
чительные размеры. Важнейшей характеристи-
кой механики разрушения служат коэффициен-
ты интенсивности напряжений [1]. Поэтому
при анализе процесса разрушения тел от удара
выделяют две задачи:
определение зависимости коэффициентов
интенсивности напряжений от времени для
стационарной трещины (т.е. когда скорость ее
распространения равна нулю), от времени и
скорости для нестационарной трещины;
определение закона роста напряжений
при нестационарном режиме, если известна
зависимость поверхностной энергии от скоро-
сти развития дефекта.
При анализе процессов распространения
трещин в разрушаемом теле обычно ис-
пользуют формулу Гриффитса, которая выра-
жает условие баланса энергии, подводимой к
телу извне, и энергии, затрачиваемой на обра-
зование в результате развития трещин новых
поверхностей в теле. Так, для сферической
трещины имеем [2]
или
2у. —. №2)
где Q - напряжение; у - удельная поверхно-
стная энергия разрушения; Е - модуль упруго-
сти тела; R - радиус трещины.
При развитии трещины отмечают три ос-
новных вида деформаций поверхности трещи-
ны: нормальный отрыв, поперечный и про-
дольный сдвиг. В частице комбикормового
сырья в зависимости от ее формы, а также от
направления ударного импульса могут быть
реализованы все три вида деформаций.
Рассмотрим простейший случай, когда
частица имеет форму куба со стороной b (на-
пример, частицы минерального сырья), а по-
верхность молотка и деки принята как плос-
кость. В этом случае может произойти прямой
удар или улар с отклонением от прямого на
угол а . При ударе молоток сообщает частице
ударный импульс rnVy^ (14- k ), где т - масса
288
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
частицы; г>уд - окружная скорость молотка в
точке соударения; к - условный коэффициент
восстановления нормальной скорости продукта
при ударе.
Если удар происходит с отклонением от
прямого, т.е. а 0 , то в момент удара возни-
кают нормальная Рп и касательная Pz состав-
ляющие силы:
P„=Pcosa; PT=Psina.
При таком ударе от нормального напря-
жения возникает деформация нормального
отрыва или поперечного сдвига, а от касатель-
ного - деформация продольного сдвига. Одно-
временно деформация тела возможна вследст-
вие нормального отрыва и продольного сдвига
или поперечного и продольного сдвига.
Если исходить из того, что частица раз-
рушается при условии, когда длина трещины I
достигает ее размера b , т.е. I -Ь, то согласно
[2] формула для расчета критической скоро-
сти vK соударения молотка с частицей, при
развитии в ней в результате удара напряжения
нормального отрыва или поперечного сдвига,
имеет вид
pcosa^(1_v2)f>3
где Т - время ударного импульса; р - плот-
ность материала; V - коэффициент Пуассона.
В случае прямого удара, т.е. при a = 0,
Т I луЕ
vK =— -----:---
PV(l-v2)^3
(6.4)
Если в частице в результате удара разви-
вается деформация продольного сдвига, то
Т I луЕ
=~J------- з”’
Р V(l + v)634
где 4 =(l-v)cos2 a + sin2 a .
Если a = 0, то приходим к уравне-
нию (6.4).
При ударе молотка по частице продукта в
дробилках ударного действия частица за время
7] ударного импульса приобретает скорость
г>уД точки молотка, в которой произошел удар,
и за счет упругих свойств отойдет от молотка.
В этом случае скорость соударения частицы с
декой г>уД (1-F/0. Если удар произойдет с
отклонением от нормали на угол Р , то
Рп =^уд(1 + А)созР,
а
Л = г’уд (1 + *)sinp .
Поскольку большинство дробилок удар-
ного действия работают по рассмотренной
схеме, рациональным является разрушение
частиц продукта за счет удара по нему молотка
ротора и удара частиц о деку. В этом случае
При первом ударе в частице образуется трещи-
на длиной Zj, при втором - длиной /2, а общая
длина
/ = /| + /2
Тогда при разрушении частицы в резуль-
тате двух ударов с учетом того, что I = b,
где - время ударного импульса при ударе
частицы о деку.
Если 7| « ?2 , то
Т I луЕ
Р \| [1+(1 + А)2]
(6.6)
Уравнения (6.5) и (6.6) имеют смысл в
том случае, когда
tga<f и ZgP</,
где f - коэффициент трения частиц продукта
по поверхности молотка ротора или деки.
Переходя к конкретному виду сырья,
предположим, что частицы сырья изотропны
по механическим свойствам и имеют правиль-
ную форму. Анализируя форму частиц сырья,
можно условно принять частицу соли за куб,
зерновки пшеницы, ячменя, ржи и т.д. за эл-
липсоид с осями q , <?2 , С3 , частицу мела,
зерновки кукурузы, проса и т.д. за шар диамет-
ром d. Приравнивая объем эллипсоида или
шара к объему куба со стороной Ь, получим
размер, который можно использовать в расчет-
ных формулах с учетом того, что :
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ, ПЛЮЩЕНИЯ И РЕЗКИ
289
v s V«
Тогда для зерен пшеницы, ячменя и дру-
гих культур уравнение (6.6) примет вид:
, Т 6уЁ
Vk =~J^r-----------•
Pyclc2[l + (1 + *)2J
(6.7)
Полученные зависимости (6.5) - (6.7) в
отличие от используемых формул расчета кри-
тической скорости В.П. Горячкина, В.П. Ро-
мандина и других наряду с такими параметра-
ми, как модуль упругости Е, плотность р,
размер частиц материала b, учитывают коэф-
фициент у , выражающий удельную поверхно-
стную энергию разрушения, а также время
ударного импульса Г, коэффициенты восста-
новления к и Пуассона V, т.е. все основные
параметры процесса ударной обработки сырья.
Это свидетельствует о большой методической
обоснованности расчетных формул критиче-
ских скоростей, вытекающих из теории образо-
вания и развития трещин.
Для различных зерновых культур экспе-
риментальные зависимости коэффициентов
восстановления к от скорости удара г>уД
приведены на рис. 6.1.
Коэффициент восстановления для ячменя
(кривая /) при возрастании скорости удара
сначала увеличивается и при скорости 12 м/с
достигает максимального значения. Дальней-
шее повышение скорости удара зерновки о
деку приводит к уменьшению коэффициента
восстановления, причем зависимость к =
= f (^уд ) на этом участке близка к линейной.
Если прямую продолжить, то она пересечет ось
абсцисс при скорости 130 м/с. Это значит, что
при данной скорости основная часть энергии
пойдет на образование новых поверхностей
измельченного продукта.
Аналогичные зависимости наблюдаются
и для зерен другого вида, но максимальные
значения коэффициента имеют место при раз-
ной скорости зерен в момент удара. Так, для
кукурузы А: = 0,57 при г>уд = 6 м/с, для ячменя
к =0,53 при 12 м/с, для пшеницы А: = 0,5 при
г>уд = 11 м/с, для овса к = 0,43 при г>уд = 13 м/с,
для ржи к = 1,47 при г>уД = 10 м/с.
Опыты показали, что коэффициент к за-
висит от влажности W зерна. Так, при увели-
чении W у пшеницы от 9 до 12 % величина к
изменяется незначительно. Дальнейшее повы-
шение W в исследованном диапазоне приво-
дит к более интенсивному снижению к, причем
зависимость на этом участке близка к линейной.
Значение коэффициента восстановления
при скорости удара зерен ячменя о стальную
деку выше 20 м/с можно найти из следующего
выражения:
к = 0,66-0,0043ауд -0,009Щ . (6.8)
Из формулы (6.8) видно, что чем выше
скорость удара и влажность ячменя, тем мень-
ше его коэффициент восстановления.
Исследования разрушения минерального
сырья показали, что частицы соли после удара
о деку очень медленно отходят от ее поверхно-
сти на незначительное расстояние и под дейст-
вием сил тяжести падают вниз, т.е. коэффици-
ент восстановления нормальной скорости бли-
зок к нулю как при разрушении, так и без раз-
рушения частиц при ударе. Частицы мела об-
ладают лучшими упругими свойствами и име-
ют максимальный коэффициент восстановле-
ния к = 0,22.
Рис. 6.1. Зависимости условных коэффициентов
восстановления нормальной скорости зерновых
культур от их скорости суд перед ударом о
стальную деку (по данным Л.А. Глебова):
I - ячмень; 2 - пшеница; 3 - овес; 4 - рожь;
5 - кукуруза
10 — 8434
290
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
При незначительных скоростях удара
зерна находятся в контакте с плоскостью деки
в течение Ю-5...!©-4 с, затем отходят от ее по-
верхности со скоростью, меньшей чем перед
ударом. При этом время контакта неразрушен-
ных зерен с декой зависит от размеров и поло-
жения зерен при ударе. Скорость удара не ока-
зывает существенного влияния на его продол-
жительность.
Результаты исследования удара зерновых
культур по стальной поверхности приведены в
табл. 6.2.
Модуль упругости зерновых культур в
основном зависит от влажности W зерна и
нагрузки Р . Его можно определить с помо-
щью эмпирической зависимости (Па):
Е = 108(flj ^-a^P + a^WY (6.9)
Значения эмпирических коэффициентов
даны в табл. 6.3.
Одним из критериев разрушения твердых
тел за счет развития трещин является удельная
энергия у, затраченная на образование едини-
цы поверхности трещины. Эта величина входит
в основные формулы расчета критической ско-
рости удара. Для упругопластических материа-
лов она определяется как сумма плотности
поверхностей энергии ук и удельной энергии
пластических деформаций у р на единицу по-
верхности разрушения:
Y = YK+YP-
Если принять условие, что разрушение
зерна происходит за счет упругих деформаций
эллиптической трещины, то согласно формуле
Гриффитса
где пк - предел прочности материала на раз-
рыв; / - длина трещины.
Если трещина сферическая с радиусом
R , то получим формулу Гриффитса (6.2). Со-
гласно Н.А. Махутову удельная энергия пла-
стических деформаций может быть прибли-
женно определена по формуле
2
Y р ’
где пв - временное сопротивление материала
на разрыв при пластической относительной
деформации ев ; Sn - толщина пластически
деформируемого слоя разрушения.
6.2. Результаты исследования удара зерновых культур по стальной поверхности
Зерновая культура Время контакта Г, 105 с Плотность р, 103 кг/м3 Удельная поверхностная энергия разрушения у, Нм/м2 Коэффициент восстановления нормальной скорости удара А, максимальный
Ячмень 2,6...8,0 1,2...1,4 12...20 0,53
Пшеница 1,2...2,9 1,2...1,5 30...43 0,50
Рожь 1,4...3,0 1,2...1,5 27...35 0,47
Овес 2,1...6,2 1,2...1,4 14...26 0,43
Кукуруза 3,2...9,4 1,3...1,4 38...48 0,58
6.3. Значения эмпирических коэффициентов в формуле (6.9)
Зерновая культура Эмпирический коэффициент
а,, Н/м2 а2, м 2 а3, Н/(м2 %)
Ячмень 3,48 0,17 0,12
Пшеница 3,27 0,13 0,095
Рожь 2,34 0,13 0,12
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ, ПЛЮЩЕНИЯ И РЕЗКИ
291
При разрушении зерен пшеницы, ячменя
и ржи при статическом сжатии, в случае, когда
зерновка устанавливается на плоскость пресса
бороздкой вниз, образуются две частицы за
счет развития трещины в зоне бороздки. На
рис. 6.2 показано действие сил на зерновку при
сжатии ее между пластинами пресса. Под дей-
ствием давления р возникают силы Рт, кото-
рые при достижении определенного значения
приводят к разрыву зерновки.
Влажность пшеницы, которую направля-
ют на переработку в муку и комбикорма, чаще
всего составляет 10... 17 %. Для получения
реального значения ук при наиболее благо-
приятных условиях в табл. 6.4 даны расчетные
значения параметров для влажности 10%.
Величина
где S - площадь вновь образованной поверх-
ности при разрушении зерновки.
Рис. 6.2. Схема действия сил на зерновку
при ее сжатии между пластинами пресса
Для определения наибольшей удельной
энергии пластических деформаций за исходное
зерно принято зерно пшеницы влажностью
17%. Исследования показали, что в этом слу-
чае ств =2.12 МПа; ев =0,067; 5П =0,15104 м,
тогда Ур = 1,42 Н м/м2.
6.4. Расчетные величины для пшеницы влажностью 10%
Обозначение Средняя величина для /-й фракции - сход с сита с отверстиями размером, мм Средневзвешенное значение
1 2 3 4
1,7x20 2,0 х 20 2,5 х 20 3,0 х 20
Размеры зерновки, мм:
ширина 2,84 2,08 1,98 2,15 2,07
длина 6,09 6,16 6,92 6,43 6,61
высота 1,97 2,16 2,61 3,02 2,72
Площадь вновь обра- 9,5 11,0 11,0 И,1 11,0
зованной поверхно- сти, мм2
Сила разрушения, Н 55,7 68,9 74,6 79,1 75,5
Сила разрушения на разрыв, Н 32,6 29,9 26,5 26,5 27,9
Предел прочности на разрыв, МПа 3,43 2,72 2,41 2,40 2,46
Модуль упругости, 102МПа 8,5 8,2 7,7 7,7 7,8
Удельная поверхност- 42,8 30,6 30,9 35,5 32,9
ная энергия разруше- ния, Нм/м2
Количество фракции, % 1,40 11,68 45,32 41,60 -
10*
292
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Эта величина при влажности пшеницы
17 % почти в 23 раза меньше значения удель-
ной энергии упругой деформации. Г.Р. Ирвин в
своих работах, основываясь на анализе энергии
упругих и пластических деформаций в зоне
трещины, предлагает для материалов, к кото-
рым можно применять энергетическую трак-
товку хрупкого разрушения, не учитывать
энергию пластической деформации.
В связи с изложенным, а также с тем, что
влажность зернового сырья при переработке
комбикормов не может быть высокой, в расче-
тах энергию на пластическую деформацию
зерна можно не учитывать.
При ударе зерновки о деку или молотка
ротора дробилки по зерновке на нее действует
мгновенная сила
P = 2mvygjT,
с учетом того, что /n = npci /б и уравнения
(6.9), получим
Г 2 »
£ = 108^^^+a|+a3Hj. (6.10)
Если в формуле (6.4) пренебречь малой
величиной V2. то с v четом формы зерновки
(ячменя, пшеницы, ржи) получим
Т A
г’к =- 6-----Г •
РУ С1С2
При разрушении зерновки имеем
.._Я(-2стк
2£к
Из (6.11) с учетом последнего выражения
после преобразований получим
(6.П)
vK =5.io8^Izi а2+ 1а2 +0,39+a3IV)
Р^к У
Аналогично из формулы (6.7) с учетом (6.12) получим
V'K =5-108-С2^ а2 + U +0,39-10-8^С4^[1 + (1+17]
Р^к |_1+(1 + ^) J \
(6.12)
(6.13)
Таким образом, по формуле (6.12) можно
рассчитать критическую скорость удара дро-
билок при измельчении на них зерновых видов
сырья с учетом одного удара, а по формуле
(6.13) критическую скорость с учетом первого
удара рабочих органов (молотков) по зерну и
второго удара при отскоке.
Имеется большое количество различных
вариантов классификации машин ударного
действия Б.В. Клушанцева, А.И. Косарева,
А.Р. Демидова, В.П. Барабашкина, С.В. Мель-
никова, В.И. Акунова, П.М. Сиденко,
В.А. Елисеева и др., которые основаны на кон-
структивных признаках машин, их технологи-
ческой эффективности, возможной степени
измельчения материала и необходимой тонко-
сти продукта. Так, Б.В. Клушанцев и А.И. Ко-
сарев, классифицируя измельчающие машины
ударного действия по конструкции и типу ра-
бочих органов, предлагают шесть основных
групп: а) крестовые; б) стержневые (дезинте-
граторы, дисмембраторы); в) барабанные (ги-
рационные); г) тарельчатые (центробежные);
д) роторные; е) молотковые (рис. 6.3, табл. 6.5).
Наиболее широкое распространение на
комбикормовых предприятиях для измельче-
ния зернового и кускового сырья получили
молотковые дробилки. Такие дробилки имеют
ротор с шарнирно подвешенными молотками
Рис. 6.3. Схема измельчающих машин ударного
действия (по Б.В. Клушанцеву и А.И. Косареву)
6.5. Техническая характеристика молотковых дробилок, применяемых в комбикормовой промышленности России
для измельчения зерновых компонентов комбикормов
Марка дробилки Произво- дитель- ность, т/ч Диаметр ротора, мм Частота вращения ротора, мин 1 Окружная скорость бичей, м/с Площадь ситовой поверхно- сти, м2 Диаметр отверстия сита, мм Мощность основного электродви- гателя, кВт Габаритные размеры Масса, кг
длина ширина высота
А1-ДМ2Р-55 6 1150 1470 90 0,85 6,3 55 1590 1400 2160 1335
А1-ДМ2Р-75 10 1150 1460 90 0,85 6,3 75 1670 1400 2160 1470
А1-ДМ2Р-110 14,5 1150 1450 90 1,27 6,3 НО 2070 1400 2160 1900
А1-ДМР-6 6 646 2945 100 0,62 6,3 55 1810 1176 1935 1700
А1-ДМР-12 12 646 2920 98 1,05 6,3 ПО 2435 1176 1935 2350
А1-ДМР-20 20 646 2910 98 1,33 6,3 160 2700 1176 3500 3100
А1-ДДП 5 630 2940 97 0,88 3,0...5,0 40 2000 1050 2500 1500
А1-ДДР 10 630 2950 100 1,00 3,0...5,0 100 2350 1176 2500 2100
ДДМ 5 980 1470 76 1,00 5,0 55 2365 1490 1685 1928
дм 2 500 2940 77 0,40 5,0 20 1700 170 880 1000
ДМ-440-У 2,5 450 2925 57 0,36 8,0 13 790 690 640 223
50/63В (Германия) 5 600 2970 94 0,66 3,0...4.0 40 2047 780 1174 1280
НМ (Нидерланды) 5...40 600 3000 или 1500/3000 94 47/94 0,5...1,4 4...5 55...200 1900... 3600 1050 2070...2340 2900... 5800
ММ-100 (совмест- ное советеко-италь- янское предприятие Совокрим) 2...10 630 2950 97 1,00 1,5...15 55...НО 2150...2360 1070 1780 2500
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ, ПЛЮЩЕНИЯ И РЕЗКИ
294
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
(бичами) и расположенное в нижней части
рабочей камеры штампованное сито с круглы-
ми или продолговатыми отверстиями. Привод
ротора чаще всего выполнен реверсивным.
В молотковых дробилках [3] наиболее
эффективным является первичный удар молот-
ков по продукту и вторичный - продукта по
деке (рис. 6.4). Во всех молотковых дробилках
скорость поступления продукта в зону удара не
оказывает влияния на скорость первичного
удара, поэтому она будет соответствовать ок-
ружной скорости молотков ротора и ее значе-
ние можно найти, зная радиус ротора дробилки
по концам молотков и частоту вращения рото-
ра дробилки.
При ударе по частице продукта молотком
она за время ударного контакта Т получит
скорость, равную окружной скорости точки
контакта молотка. После истечения этого вре-
мени частица продукта под действием упруго-
сти (упругое сжатие поверхности молотка не
учитывается ввиду его незначительного дейст-
вия на частицу продукта) отскакивает от мо-
лотка со скоростью больше, чем окружная ско-
рость молотка в 1 -I- к раз.
Таким образом, скорость частицы (про-
дукта) при вторичном ударе ее о деку будет
больше окружной скорости молотка. Поэтому
создание условий для вторичного удара частиц
о деку приобретает важное значение для ин-
тенсификации процесса разрушения, тем более,
что на разгон продукта в любом случае затра-
чивается энергия.
Рис. 6.4. Ударное воздействие на
частицу продукта в молотковой дробилке
Минимальный угол охвата декой ocmjn
рабочей камеры дробилок можно найти по
формуле:
amin + arccos—- ,
30 Кд
где Гтах - максимальное время ударного кон-
такта частиц продукта с поверхностью деки
или молотка; /?д - радиус деки по ее внутрен-
ней поверхности; п - частота вращения ротора
дробилки; /?м - радиус ротора дробилки по
концам молотков.
Оценка эффективности работы дроби-
лок ударного действия. Основные показатели,
характеризующие процесс измельчения и рабо-
ту дробилок ударного действия, - производи-
тельность, удельный расход электроэнергии на
измельчение продукта, КПД и гранулометри-
ческий состав измельченного продукта. Ориен-
тировочную производительность (т/ч) молот-
ковых дробилок можно определить по сле-
дующей эмпирической формуле:
G = 3,6/l| pD^Zn/бО,
где - эмпирический коэффициент, который
зависит от типа и размеров ситовой поверхно-
сти, физико-механических свойств сырья и
конструктивных особенностей молотковых
дробилок; р - плотность измельченного про-
дукта, кг/м3; DM - диаметр ротора дробил-
ки, м; Z - длина ротора дробилки, м; п -
частота вращения ротора дробилки, мин1.
Для сит с диаметром отверстий менее
Змм = (1,3... 1,7)-10 4, а для чешуйных сит
и для сит с диаметром отверстий 3...10 мм
= (2,2...5,2)-104. Меньшее значение коэф-
фициента >1| принимают для сит с меньшим
размером отверстий.
Производительность (кг/ч) существую-
щих молотковых дробилок можно определить
по эмпирической формуле, применяемой фир-
мой Ван Аарсен (Нидерланды):
G=J„pND, (6.14)
где Jnp - приведенный коэффициент размо-
лоспособности сырья, кг/(ч кВтмм); N -
мощность основного электродвигателя дробил-
ки, кВт; D - диаметр отверстий сита, уста-
новленного в молотковой дробилке, мм.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ, ПЛЮЩЕНИЯ И РЕЗКИ
295
Коэффициенты размолоспособности от-
дельных видов сырья Jj определены при ис-
пытании молотковых дробилок, их значения
представлены ниже, кг/(чкВтмм).
Ячмень......................... 27
Кукуруза....................... 55
Овес........................... 17
Пшеница........................ 40
Отруби рисовые................. 15
Отруби пшеничные............... 33
Шрот соевый.................... 70
Жмых соевый.................... 63
Приведенный коэффициент размолоспо-
собности для нескольких видов сырья, которые
могут входить в измельчаемую смесь, рассчи-
тывается как средневзвешенное значение:
где Xj - количество вводимого /-го вида сы-
рья в измельченную смесь, %.
Проверка эмпирической зависимости
(6.14) для молотковых дробилок А1-ДДП (яч-
мень), А1-ДДР (зерновая смесь: 77,1 % ячменя,
16,3 % пшеницы, 9,6 % кукурузы) и А1-ДМР-12
(зерновая смесь: 24,7 % ячменя, 29,2 % пшени-
цы, 46,1 % кукурузы) показала, что расчетная
линейная зависимость достаточно отражает фак-
тическую зависимость изменения производи-
тельности дробилок от диаметра отверстий сита.
При прогнозировании фактической про-
изводительности при измельчении от-
дельных видов сырья на молотковых дробил-
ках с контролем крупности помола на просеи-
вающих машинах можно применять следую-
щую формулу:
Рис. 6.5. Номограммы для
определения коэффициентов
энергоемкости Кг и влажности Кз
для зернового сырья, измельчаемого
с промежуточным просеиванием:
7 - ячмень; 2 - пшеница; 3 - рожь;
4 - овес; 5 - кукуруза; 6 - горох
Оф=^/С2^36,
где G - производительность дробилки при
измельчении ячменя влажностью 13% до
крупности частиц (прохода через сито с диа-
метром отверстий 3 мм не менее 95 %); -
коэффициент размолоспособности; - ко-
эффициент энергоемкости процесса измельче-
ния; - коэффициент влажности.
При измельчении на дробилках зерносме-
сей фактическую производительность можно
рассчитывать как средневзвешенное значение:
п
G^=GYKuhK3iXi /100,
1
где - поправочные коэффици-
енты /-го вида сырья в смеси; Xt - доля ввода
/-го вида сырья, %. Значения коэффициента
представлены ниже.
Ячмень...................... 1
Пшеница...................... 1,3
Рожь......................... 1,4
Овес для дробилок:
молотковых................. 0,7
бесситовых................ 1,2
Кукуруза..................... 1,5
Горох........................ 1,5
Значения коэффициентов и из-
меняются в зависимости от крупности готового
продукта (проход через сито с отверстием d)
и влажности исходного сырья IV . Их можно
определить по номограммам, полученным по
результатам исследований (рис. 6.5).
__________________________^з
296
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Удельный расход электроэнергии на пе-
реработку сырья в дробилке, кВт ч/т,
Д^д=^раб/О,
где - мощность электродвигателя дро-
билки при рабочей нагрузке, кВт; G - произ-
водительность дробилки при этой нагрузке, т/ч.
Удельный расход электроэнергии на про-
цесс измельчения сырья, кВт ч/т,
^раб NKK
п G
где Nxx - мощность электродвигателя на хо-
лостом ходу, кВт.
Минимально необходимые затраты энер-
гии (кВт ч/т) на измельчение зерновой культу-
ры ударом можно определить с помощью эм-
пирической формулы
AU — <^(j ~ D + #2 .
где «о , щ , «2 - эмпирические коэффициенты
(табл. 6.6); D - предельная крупность измель-
ченных частиц или диаметр отверстий сит в
дробилке, мм.
КПД, %, рассчитывается следующим об-
разом:
для дробилки
Г|д=100Д(7/^д ;
для процесса измельчения
г]п = 100At//AWn .
Степень измельчения продуктов
/ = ^исх/^изм »
где <7ИСХ - средний размер частиц исходного
продукта, мм; JH3M - средний размер частиц
измельченного продукта, мм.
6.6. Значения эмпирических коэффициентов
при влажности зерна 13 %
Зерновые кВтч кВтч кВт - ч
культуры а0 ’ т а1 ’ тмм тмм2
Ячмень 11,5 6,5 1,2
Овес 6,1 1,2 0
Пшеница 4,3 1,4 0,2
Кукуруза 3,3 0,7 0,1
Рожь 4,6 1,5 0,2
Для определения среднего размера частиц
до измельчения и после него среднюю пробу
продукта просеивают с помощью рассевка-
анализатора через набор сит с отверстиями
разных размеров, взвешивают сходовые фрак-
ции и находят средний размер частиц (мм) по
следующей формуле:
_ к I к
d j ,
/ /=1
где dt - средний размер частиц z-й сходовой
фракции продукта; находится как полусумма
размеров отверстий сита, с которого получен
сход продукта, и ближайшего сита, через кото-
рое прошел этот продукт, мм; xz - масса z-й
сходовой фракции продукта.
Для нахождения однородности по разме-
рам частиц смеси необходимо определить ко-
эффициенты выравненное™ и тонкости мелкой
и крупной фракций продукта. Минимально
возможное количество мелких (пылевидных)
частиц (%) можно определить по эмпириче-
ским формулам:
для ячменя, пшеницы, овса
для кукурузы
g=ioo-^Vj,
где d - размер отверстий лабораторного сита,
проход через которое составляет пылевидная
часть измельченного продукта, мм.
6.1.2. ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ СЖАТИЕМ И СДВИГОМ
Вальцовые мукомольные станки.
В вальцовых измельчителях разрушение про-
дукта происходит в клиновидном пространстве
между вращающимися рабочими органами-
вальцами. Несколько вальцов (или один) вра-
щаются с одинаковыми или разными скоро-
стями и обеспечивают разрушение продукта
сжатием, сдвигом, отчасти истиранием и раз-
рывом. Вальцовые измельчители нашли широ-
кое применение для среднего и мелкого дроб-
ления.
Достоинства вальцовых измельчителей
состоят в следующем:
в высокой технологичности изготовления
рабочих органов, представляющих собой тела
вращения;
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ, ПЛЮЩЕНИЯ И РЕЗКИ
297
в возможности защиты рабочих органов
от повреждений простыми устройствами;
в высокой точности регулирования воз-
действий сжатием и сдвигом, что обеспечивает
избирательность измельчения зерна;
в высокой производительности, обуслов-
ленной одинаковым направлением движения
продукта и рабочей поверхности в зоне из-
мельчения.
Вальцовые измельчители в зерноперера-
батывающей промышленности называют валь-
цовыми мукомольными станками (рис. 6.6).
Вальцовый мукомольный станок - основная
измельчающая машина при избирательном
измельчении зерна. Процесс измельчения про-
дукта происходит в клиновидном пространстве
2 между двумя, вращающимися с разными
скоростями навстречу друг другу цилиндриче-
скими рабочими органами - вальцами 3. Вра-
щение от электродвигателя 6 передается на
один из вальцов, а связь с другим вальцом
осуществляется с помощью межвальцовой
передачи 1.
Технологический эффект избирательного
измельчения на вальцовом мукомольном стан-
ке во многом зависит от следующего:
нарушения рабочей поверхности вальцов
(износа, биения и др.);
неуравновешенности вальцов в сборе;
наличия зазоров в соединениях;
неравномерной подачи продукта в зону
измельчения;
ударной нагрузки в зубчатом зацеплении
межвальцовой передачи;
недостаточной жесткости деталей;
нагрева вальцов.
Основными узлами современных вальцо-
вых станков являются:
станина;
узел мелющих вальцов 3 с механизмами
грубой и точной настройки межвальцового
зазора;
механизм привала - отвала мелющих валь-
цов;
питающий механизм 4;
привод 5, 6;
межвальцовая передача /;
система контроля работы.
Процесс измельчения на вальцовых стан-
ках характеризуют следующие параметры:
производительность;
касательные и нормальные силы в зоне
измельчения и их соотношение;
длина зоны измельчения;
Рис. 6.6. Обобщенная схема вальцов
мукомольного вальцового станка
время нахождения продукта в зоне из-
мельчения;
количество опережающих рифель.
Расчет производительности вальцового
станка. Максимальная теоретическая произво-
дительность вальцового станка (?вс (кг/с) мо-
жет быть определена по формуле [6]:
С?вс ~ ^в Рр (^отн +1 )(^пр + ^р Др )/^отн ~
отн + l)(fenp+//p)/2A0TH,
(6.15)
где - окружная скорость быстровращаю-
щегося вальца, м/с; £в - длина рабочей части
вальца, м; рр - плотность измельчаемого про-
дукта в зоне измельчения, кг/м3; £отн - соот-
ношение окружных скоростей быстро- и мед-
ленновращающегося вальцов; 6Пр- величина
зазора между вальцами при измельчении про-
дукта, м; Fp - площадь сечения одной впади-
ны, м; /р - шаг рифлей, м; - высота рифли.
Максимальная теоретическая производи-
тельность вальцового станка на I-й драной
системе, с учетом количества продукта, пере-
носимого впадинами рифлей, превышает в
2,5...7 раз фактическую, что является резервом
для увеличения производительности вальцовых
станков [6].
Расчет изменения межвальцового зазо-
ра и распорных сил. Под действием сил, воз-
никающих в процессе измельчения, происхо-
дит изменение межвальцового зазора (рис. 6.7,
а), которое зависит от жесткости системы и от
зазоров в соединениях.
298
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Рис. 6.7. Расчетные схемы вальцовых станков:
а - силового взаимодействия; б - изменения межвальцового зазора при наличии зазоров в подшипниках
(GmK - вес шкива; G3 - вес зубчатых колес; L\ - L6 - длины цапф вальцов, определяющие места посадок
зубчатых колес, распорных устройств и опор по отношению к длине Ьв рабочей части вальцов;
Р3~ радиальная составляющая силы, действующая в зубчатом зацеплении; (21р и Q2p - силы, создаваемые
на цапфах вальцов распорными устройствами; qB - удельный вес вальца, Н/м; Гнб, Гоб - силы от набегающей
и сбегающей ветвей ременной передачи на шкиве быстровращающегося вальца; ХЬХ2 и Zb Z2 - проекции
реакций на оси соответственно х и у )
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ, ПЛЮЩЕНИЯ И РЕЗКИ
299
Влияние зазоров в подшипниках на ста-
бильность межвальцового зазора показано на
рис. 6.7, 6. (Сплошные линии - расположение
вальцов под действием только сил тяжести, а
штрих-пунктирные - под действием всех сил,
действующих на вальцы в процессе измельче-
ния продукта). Окружности 7б, 1'&, 1М , 7^ с
центрами 0б , 0б , 0м , 0м показывают край-
ние положения тел качения подшипников (ин-
дексы «б» и «м» относятся соответственно к
быстровращающимся и медленновращающим-
ся вальцам). Окружностями 2б и 2М показаны
внутренние поверхности наружных обойм
подшипников, неподвижно закрепленных в
корпусах.
Взаимное расположение окружностей
4 > Уб > ZM , ]'ы и окружностей Зб, и Зм ,
Зм, обозначающих положения рабочих по-
верхностей, соответственно быстро- и медлен-
новращающегося вальцов, дает наглядное
представление об изменениях межвальцового
зазора, обусловленных наличием зазоров в
подшипниках.
При остановленных электродвигателях,
когда на вальцы действуют только силы тяже-
сти, величина зазора будет . После включе-
ния электродвигателя и подачи продукта на
измельчение возникают дополнительные силы,
которые переместят оси вальцов, и зазор между
поверхностями вальцов 6Пр увеличится:
^пр =^0 +А^пр.м +Д^пр.б’
где Z>q - величина зазора между вальцами при
действии на них только сил тяжести, м;
А^пр.м > А^пр.б “ изменение величины зазора
между вальцами в процессе измельчения про-
дукта за счет перемещения медленно- и быст-
ро вращающегося вальцов по сравнению с их
положением на режиме холостого хода, м.
Это увеличение можно рассчитать,
спроецировав перемещение 0м0м и 0б0б на
линию СмСб, соединяющую оси наружных
обойм подшипников:
А^пр.м = ~^МСМ =
~&под.м (8*пРм — sinaB)/2,
А^пр.б + Q^6 =
= £под.б(5’п«в+8'П₽б)/2
ИЛИ
^пр =^0 +&под .мЛпод.м +£под.бт1под.б ’
(6.16)
где г|под м =(sinpM — sinaB )/2 ; Л под. б =
= (sinaB+sinp6)/2; §под - зазоры в под-
шипниках, м; ав - угол наклона в плоскости,
проходящей через оси вальцов, к горизонталь-
ной плоскости, °; рб, рм - углы между на-
правлениями реакций в опорах вальцов и осью
координат z, °; Т|под - коэффициенты неста-
бильности зазора, относящиеся к зазорам в
подшипниках быстро- и медленновращающе-
гося вальцов.
Из выражения 6.16. видно, что изменения
зазора между вальцами являются функциями
переменных параметров - коэффициентов
нестабильности зазора между вальцами
Лпод.м > Л под.б ’ которые зависят от конструк-
тивных особенностей вальцового станка, а
также от изменения силового взаимодействия в
вальцовом станке. Зависимость коэффициентов
нестабильности Лпод.м ’ Лпод.б от касательных
сил <7ТМ , создаваемых продуктом, или от
мощности на электродвигателе N3Jl связаны
между собой в работах [5] и имеют вид
*7тм =^элЛс Лшк/^шк.б (^в.б/^из.пр “
“^в.м Рзб/)=6О7УЭЛ Лс/^в.б х
х^в (^в.б/^из .пр ^в.м Аз.п)’ (6.17)
где <7тб = /б ’ (Tim = /м ’ ?тм =
= ^из.пр^тб’ ^в “ диаметр рабочей части
вальца, м; - начальные диаметры
зубчатых колес, установленных на соответст-
вующих вальцах, м; £>шк - расчетный диаметр
шкива, установленного на валец со стороны
электродвигателя, м; /м , - коэффициенты
трения продукта о вальцы; k3 п - передаточное
число межвальцовой зубчатой передачи;
£из Пр - коэффициент, учитывающий реологи-
ческие характеристики измельчаемого продук-
та; 7УЭЛ - мощность, затрачиваемая электро-
двигателем на измельчение, Вт; ~
удельные нормальные силы, действующие на
300
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
вальцы при измельчении продукта, Н/м; (?тм ,
qx§ - удельные касательные силы, действую-
щие на вальцы при измельчении продукта, Н/м;
Г|с - КПД измельчающей системы; гшк § -
окружная скорость шкива быстровращающего-
ся вальца, м/с; пъ б - частота вращения быст-
ровращающегося вальца, мин-1.
Расчет деформаций вальца. Для оценки
стрелы прогиба вальца необходимо выделять
отдельные составляющие прогиба [4], кото-
рые определяются следующими факторами
(рис. 6.8):
прогибом fq среднего участка балки,
вызванного действием распределенных сил
qN надлине L ;
прогибом /м среднего участка балки,
вызванного действием моментов реакций опор
М;
поступательным перемещением fQq
среднего участка балки от поворота крайних
участков как жесткого целого на угол Qq ,
равный углу поворота торцовых сечений сред-
него участка от сил q^ на длине L ;
поступательным перемещением /^м
среднего участка балки от поворота крайних
участков как жесткого целого на угол Qq ,
равный углу поворота торцовых сечений сред-
него участка от моментов М;
Рис. 6.8. Составляющие прогиба вальца
от различных факторов
поступательным перемещением среднего
участка балки /ц, вызванным изгибом край-
них участков, как консолей, нагруженных си-
лой q^ L/2 .
Полная стрела прогиба вальца /в может
быть представлена в виде суммы стрел проги-
бов от указанных факторов соответственно
/в =/м +./<7 + loq +Jqm + /ц •
Значения величин fM,fq,fQq Jqm ,/ц
могут быть определены по формулам из рабо-
ты [7].
6.1.3. ДРОБЛЕНИЕ И ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ
НА ПРЕДПРИЯТИЯХ МАССОВОГО ПИТАНИЯ
На предприятиях массового питания про-
цесс тонкого измельчения пищевых продуктов
используется при изготовлении сахарной пуд-
ры, панировочных сухарей, дробленых орехов,
кофе, пюреобразных продуктов из вареных
овощей, фруктов, творога, при нарезке сырых
овощей и фруктов, мяса, хлеба, сыра, колбасы,
сливочного масла и других продуктов.
По роду воздействия на продукт машины
для его измельчения можно подразделить на
три основные группы: дробления пищевых
продуктов (размолочные машины и механиз-
мы); измельчения вареных пищевых продуктов
(овощей, мяса и др.); нарезки пищевых продук-
тов [11].
Размолочные машины предприятий
массового питания обеспечивают измельчение
продуктов до размеров порядка 0,2...0,3 мм.
По устройству рабочих органов различают
машины: с конусными органами (MCI2-15 и
МИП-11-1, с дисковыми (МИК-60) и с вальцо-
выми (МС 12-40 и МДП-11-1).
Размолочные механизмы с конусными ра-
бочими органами выполнены в виде алюми-
ниевого цилиндрического корпуса, внутри
которого расположены рабочие органы - вра-
щающийся шнек и неподвижный жернов.
Шнек обеспечивает непрерывную подачу про-
дукта к размолочным поверхностям жерновов,
которые обращены один к другому конически-
ми поверхностями, имеющими спиральные
зубья треугольного профиля переменной высо-
ты. От центра к периферии размеры зубьев
уменьшаются, а их число увеличивается. Такое
конструктивное решение позволяет повысить
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ, ПЛЮЩЕНИЯ И РЕЗКИ
301
степень измельчения и обеспечить непрерыв-
ное транспортирование измельченного продук-
та. Степень помола зависит от зазора между
размолочными поверхностями, который изме-
няют осевым перемещением неподвижного
жернова. Механизмы приводятся в действие
приводом типа ПМ-1,1.
Измельчение продукта в механизмах
MCI2-15 и МИП-11-1 осуществляется разру-
шением при сжатии (раздавливанием) в соче-
тании с разрушением при сдвиге между жерно-
вами /, 2 (рис. 6.9). Жернова обращены один к
другому рифлеными поверхностями, расстоя-
ние между которыми постепенно уменьшается
в направлении наружной кромки.
Режим работы механизмов с горизон-
тальной осью вращения выбирают таким обра-
зом, чтобы частички продукта, поступившие на
вращающийся жернов /, не сползали под дей-
ствием тангенциальной составляющей собст-
венного веса GT , а отбрасывались нормальной
составляющей центробежной силы Сп на риф-
леную поверхность неподвижного жернова.
Под действием тангенциальной составляющей
центробежной силы Сп частички должны про-
двигаться к разгрузочному отверстию. Для
этого необходимо, чтобы тангенциальная со-
ставляющая центробежной силы преодолела
тангенциальную составляющую веса продукта
и силу трения:
CT>GT+C„/, (6.18)
где f - коэффициент трения.
Подставляя соответствующие значения в
уравнение (6.18) и решая это уравнение отно-
сительно частоты вращения и, получаем
30
П=-------- =7,
(l-K)^rCp(l-/tga)
где гср - средний радиус диска (изменение
которого ограничено высотой регулируемого
зазора), м; a - угол конусности жерновов; К -
коэффициент проскальзывания продукта.
Дисковая машина МИК-60 для размола
кофе имеет стальной корпус, внутри которого
вертикально установлен электродвигатель. К
верхнему фланцу электродвигателя на шпиль-
ках крепится чугунный корпус рабочей каме-
ры. На вал электродвигателя насажен подвиж-
ный диск, к которому винтами прикреплен вра-
Рис. 6.9. Расчетная схема рабочих органов
размолочных механизмов
щающийся жернов. Верхний торец корпуса
рабочей камеры имеет съемную крышку с ме-
ханизмом регулировки зазора между жернова-
ми. В верхней части корпуса расположен за-
грузочный бункер, в горловине которого име-
ется постоянный магнит для улавливания фер-
рометаллических включений.
Вальцовый механизм для дробления оре-
хов и растирания мака МС12-40 выполнен в
виде прямоугольного корпуса, в верхней части
которого расположен загрузочный бункер. В
бункере установлены питательный валок и
шибер, с помощью которых изменяется шири-
на щели, в результате чего регулируется подача
продукта к размолочным валкам, которые ус-
тановлены в передней части корпуса: один
стационарный с гладкой поверхностью, другой
сменный с рифленой или гладкой поверхно-
стью. Зазор между валками 0...2,5 мм устанав-
ливается с помощью двух рукояток. Размолоч-
ные валки вращаются с различной частотой
(170 и 200 мин”1) в противоположные стороны.
В нижней части корпуса по касательной к ци-
линдрическим поверхностям размолочных
валков установлены на осях два скребка, кото-
рые очищают поверхности размолочных вал-
ков от прилипших частиц продукта.
Механизм МДП-11-1 отличается мень-
шими габаритными размерами и имеет незна-
чительные конструктивные отличия узла креп-
ления хвостовика к горловине привода по
сравнению с механизмом MCI2-40.
302
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Вальцовые механизмы предназначены
для кратковременного воздействия на продукт,
который подвергается деформациям сжатия и
сдвига при сравнительно невысоких окружных
скоростях цилиндрических валков, вращаю-
щихся навстречу друг другу с различной ско-
ростью.
Валки являются рабочим органом меха-
низма, поэтому к ним предъявляют повышен-
ные требования. Они должны быть прочными,
жесткими, износоустойчивыми, теплопровод-
ными и иметь форму цилиндра при строгой
соосности цапф. Особое значение имеет урав-
новешенность валков.
Материалом для изготовления валков в
большинстве случаев является специальный
чугун с закалкой внешней поверхности на глу-
бину 20 мм. Чугун не полируется, а сохраняет
шероховатую поверхность, которая легко за-
хватывает частицы продукта и затягивает их в
межвалковый зазор.
Рифление цилиндрических валков вы-
полняют по винтовой линии, чтобы избежать
их толчкообразного вращения, а также чтобы
рифли по плоскости валковых осей двигались с
одного конца на другой. По размерам рифли
делают такими, чтобы в углублениях между
ними не задерживался продукт. Нижний угол
рифли не должен превышать 85°. При более
остром углублении валки задерживают на себе
продукт и забиваются им.
Рифленые валки на станине располагают
таким образом, чтобы рифли скрещивались, а
острие рифлей одного валка двигалось бы про-
тив острия рифлей другого валка, что помимо
сжатия и сдвига обеспечивает разрезание час-
тиц обрабатываемого продукта.
Для получения хорошего помола и мак-
симальной производительности нужно выби-
рать валки с наибольшим диаметром: с увели-
чением диаметра увеличивается угол захвата
валка, в результате чего возрастает производи-
тельность с каждого 1 см поверхности валка.
В точках Л и соприкосновения с по-
верхностью горизонтально расположенных
валков, имеющих одинаковый диаметр D,
гладкую поверхность и вращающихся с одина-
ковой частотой, частичка диаметром d воз-
действует на валики своим весом (рис. 6.10). В
результате в точках соприкосновения частички
с валками возникает сила трения Рт^ , которая
действует по касательной к ним. Вертикальная
составляющая сил стремится втянуть частичку
в зону измельчения. Однако чтобы частичка
была втянута, должно выполняться условие
2Psina<2 pf cosa,
где f- коэффициент трения; a -
угол захвата.
Таким образом, угол захвата должен быть
меньше угла трения.
Частичка перемещается между валками
при определенном соотношении ее размеров и
диаметра валков. Межцентровое расстояние
между валками
£> + /? = (£) +J)cosa.
Минимальный диаметр валка
_dcosa-6
Мп in — ~. •
1-cosa
Угол захвата при известном диаметре
размолочных валков и зазоре между ними b
D + b
a=arccos-------.
D + d
Производительность валковых размолоч-
ных механизмов пропорциональна объему лен-
ты продукта, выходящего через щель между
валками. Секундный объем продукта
V = Lbu0,
где L - длина валков, м; v0 - окружная ско-
рость валков, м/с.
Таким образом, производительность ме-
ханизма
Q=LbvopqKnp,
где р - насыпная масса, кг/м3; ф - коэффици-
ент, учитывающий неодинаковость толщины
продукта (обычно она меньше у краев вдоль
Рис. 6.10. Расчетная схема механизма MCI2-40
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ, ПЛЮЩЕНИЯ И РЕЗКИ
303
длины валка); ф = 0,5...0,6; Л?пр - коэффици-
ент проскальзывания измельченного продукта;
Кпр = 0,5...0,6.
Определение производительности размо-
лочной машины (МАК-60). Объем продукта,
находящегося между жерновами, [1,3]
,/=7I(Dmax -Dmin W4’
\ max min / /
где £>тах - максимальный диаметр рабочей
поверхности жерновов, м; Z)mjn - минималь-
ный диаметр рабочей поверхности жерновов, м.
Для жерновов, имеющих форму усечен-
ного конуса (механизм MCI2-15), объем про-
дукта, заключенный между ними, определяется
по формуле
V (^тах + Мп in ) № ,
2sinaK
где h - рабочая высота жернова, ограниченная
регулируемым зазором, м; ак - угол конусно-
сти, °.
Следовательно, производительность ме-
ханизмов при частоте вращения п, плотности
продукта р и коэффициенте заполнения про-
дуктом объема между жерновами ф
е = Иирф.
Определение мощности электродвигате-
ля вальцовых размолочных механизмов. Мощ-
ность для приведения в действие вальцового
механизма [1,3]
А^=(^р+^)КО.
где Ка - коэффициент запаса мощности;
Ка=\,\', /Vp - мощность, необходимая для
разрушения продукта раздавливанием - сжати-
ем, кВт; Ки - мощность, необходимая для раз-
рушения продукта истиранием - сдвигом, кВт.
Частица продукта при входе в зазор имеет
размер d (условный). Работа сил Р (см. рис.
6.10), действующих на частицу, не зависит от
скорости валков и равна произведению сил на
путь, пройденный точками в направлении при-
ложений сил:
АР=Р1,
где / -дугаЛВ; P = <3VL----,
cosa
где Ср - сопротивление разрушению сдвига,
кПа; L - длина рабочей зоны статора.
Время пребывания частицы продукта в
щели равно времени ее движения по дуге
АВ—1, следовательно, мощность раздавлива-
ния Np
Ар
— —
Щр cosari
где Г| - КПД передаточного механизма; -
окружная скорость быстро вращающегося вал-
ка, м/с.
Мощность, необходимая для разрушения
продукта истиранием,
= Лр ( V6 ~ = f О’
\^м )
где f - коэффициент трения частиц продукта
о валки; - скорость медленно вращающе-
гося валка, м/с.
Машины для измельчения вареных
продуктов (табл. 6.7) подразделяют на три
группы в зависимости от способа воздействия
на продукт. В машинах первой группы продукт
измельчается за счет высоких колебаний в со-
четании со сдвигом. Они предназначены для
получения мелкодисперсных пищевых паст из
творога, вареных овощей, круп, мяса, рыбы,
преимущественно для детского и диетического
питания. В машинах второй группы продукт
разрезается кромками сита и продавливается
через отверстия. Их применяют для приготов-
ления пюре из вареных картофеля, овощей,
мясных и рыбных продуктов, из творога и др.
В машинах третьей группы продукт раздавли-
вается быстро вращающейся лопастью и пере-
мешивается. Их применяют для приготовления
картофельного пюре непосредственно в котле.
Машина для тонкого измельчения варе-
ных продуктов состоит из алюминиевого кор-
пуса, электродвигателя, статора и загрузочного
бункера. Внутри корпуса на плите станины
установлен фланцевый электродвигатель, вал
которого через муфту соединен с приводным
валом, на котором установлен ротор, имеющий
форму усеченного конуса.
304
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
6.7. Техническая характеристика машин для измельчения вареных продуктов
Параметр МУ-1000 МП-800 МИВП МОП-11-1 МКП-60 МС4-7-8-20
Производитель- ность при из- мельчении про- дуктов совме- стно с жидко- стью, кг/ч; мясо-рыбных овощей крупы творога 600...800 До 100 800 600 600 70...350 200... 500 200... 600 150...400 150...200 30...50 200...250
Частота враще- ния рабочего органа, мин-1 260 465 166 170 Вокруг оси: бачка 46, 85; собственной 182, 335
Степень из- мельчения (размер частиц в сечении), мкм 250...500
Мощность электродвига- теля, кВт 1,1 1,1 5,5 1,1 9,1 0,6
Габаритные размеры, мм: длина х ши- рина х высота 595 х 440 х X 795 750 х 420 х х 1000 780х410х х 1180 410х 295 х х 400 1220х 945 х х 1410 580 х 480 х х 660
Масса, кг 9 90 150 23 330 22
Три части ротора, предназначенные для
крупного, среднего и тонкого измельчения
продуктов, отличаются одна от другой разме-
ром и числом цилиндрических канавок: в пер-
вой части 56 канавок, во второй 80, в третьей
120. Во всех трех частях ротора канавки распо-
ложены под углом к образующей конуса.
Сверху над ротором в расточке корпуса
имеется регулировочное кольцо с тремя ступе-
нями, каждая из которых соответствует опре-
деленной степени измельчения продукта. На
кольцо опирается статор, внутренняя поверх-
ность которого имеет канавки, расположенные
вдоль образующей конуса.
Положение статора по высоте определяет
радиальный зазор между ним и ротором. При
повороте регулировочного кольца благодаря
его ступенчатости статор занимает различные
по высоте положения: при нижнем положении
статора радиальный зазор 0,2 мм, при среднем
и верхнем соответственно равен 0,4 и 0,6 мм.
Сверху статор прижат загрузочным бункером.
Разгрузочное отверстие машины снабжено
специальным лотком, который крепится к кор-
пусу. В верхней части станины расположена
панель электроуправления.
Обоснование конструктивных и кинема-
тических параметров машины МИВП. Варе-
ные пищевые продукты представляют собой
влажные коллоидные капиллярно-пористые
тела, неоднородные по своей структуре. Наря-
ду с нежным внутриклеточным содержанием у
них имеются прочные оболочки и соедини-
тельные ткани. Использование принципа из-
мельчения продуктов под действием высоко-
частотных колебаний в сочетании со сдвигом
(истиранием) позволяет получать частицы про-
дукта менее 250 мкм.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ, ПЛЮЩЕНИЯ И РЕЗКИ
305
Каждая порция (частицы) продукта, по-
ступая в зазор между рабочими поверхностями
ротора и статора, совершает сложное движение
по конической винтовой линии, которое можно
представить как совокупность движений во-
круг вертикальной оси ротора и вдоль обра-
зующей среднего конуса: первое обусловлено
трением частиц о поверхность ротора и статора
и ударами о кромки канавок; второе - движе-
ние подач обусловлено наличием центробеж-
ной силы инерции, силы тяжести, силы трения
о поверхности ротора и статора, проекцией
нормальной реакции кромок канавок ротора на
образующую конуса и кориолисовой силы
инерции.
Можно предположить, что разрушение
частиц продукта происходит в результате со-
вокупного действия трех факторов: среднего
давления в рабочей зоне, трения продукта о
поверхность рабочих органов и многократного
пульсирующего изменения напряженного со-
стояния при прохождении канавок и выступов.
Очевидно, что при малых угловых скоро-
стях основным фактором измельчения в маши-
не является истирание. При угловых скоростях
свыше 300 рад/с давление на стенки статора
зависит от частоты колебаний, которая зависит
от числа канавок в зонах машины:
К = zn,
где z - число канавок; п - частота вращения
ротора, с1.
Чем выше частота вращения ротора, тем
больше среднее приведенное давление:
^рРФр-с2 - Гр2)
РУ=------±(6.19)
/Г
где (О - угловая скорость ротора, рад/с; гр -
средний радиус ротора, м; ф3 - коэффициент
заполнения рабочей зоны машины продуктом;
ф3 = 0,4.. .0,8; гс - средний радиус статора, м.
Производительность машины МИВП оп-
ределяется по формуле (5.1), где F - площадь
зазора между поверхностями ротора и статора
в соответствии с рекомендуемыми зазорами
между ротором и статором при измельчении
2
различных продуктов, м ; V - скорость про-
движения продукта вдоль образующей конуса.
С учетом сопротивления продвижению
частиц продукта за счет многократной пульса-
ции при прохождении ими канавок и выступов
скорость продвижения будет в раз меньше
окружной скорости, м/с:
Г = л(гс2-rp)sina и a = wrp Д, (6.20)
где - коэффициент сопротивления продви-
жению частиц продукта за счет многократной
пульсации при прохождении канавок и высту-
пов. Коэффициент £, зависит от ряда факто-
ров: динамической вязкости и влажности ис-
ходного продукта, частоты колебаний, величи-
ны зазора и ряда других, трудно поддающихся
математическому описанию. Эмпирическое
значение коэффициента при измельчении про-
дуктов с добавлением жидкости равно 2,2, при
измельчении мяса, печени, рыбы £, = 9,8.
Мощность электродвигателя машины
МИВП может быть определена по формуле
7V=(/V,+Л/2)/т), (6.21)
где /V] - мощность, затрачиваемая на измель-
чение продукта. кВт; /V2 _ мощность, затра-
чиваемая на преодоление трения продукта о
поверхность рабочих органов, кВт; Г| - КПД
передаточного механизма.
При этом
N\ =^р^,осФ;
=TtpyDcLfv,
где L’oc - окружная скорость ротора по сред-
нему радиусу, м/с; Dc - диаметр статора, м;
L - длина рабочей зоны статора, м; f - ус-
редненный коэффициент трения продукта о
поверхность рабочих органов.
Протирочные машины и механизмы.
Промышленность выпускает протирочную
машину МП-800, протирочно-резательную
машину МУ-1000 и овощерезательно-проти-
рочный механизм МОП-11-1 к приводу П-11.
Кроме того, в настоящее время на предприяти-
ях массового питания широко применяются
протирочные механизмы 822-7 и МС-4-7-8-20 к
универсальным приводам.
Машина МП-800 состоит из алюминиево-
го корпуса и сварного каркаса, внутри которых
размещены электродвигатель, клиноременная
передача и приводной вал.
306
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Верхняя конусная часть загрузочного
бункера служит приемной воронкой для за-
грузки сырья, нижняя цилиндрическая - рабо-
чей камерой, в которой перемещается вра-
щающийся ротор. На цилиндрической части
бункера имеется люк для выброса отходов в
специальный резервуар. На приводном валу
крепятся сменные роторы для обработки раз-
личных продуктов. Сменные решетки или те-
рочный диск неподвижно установлены в кор-
пусе и удерживаются от вращения бункером.
Ниже решетки на двух шипах укреплен сбра-
сыватель, служащий для выбрасывания про-
тертого продукта из корпуса в выходной лоток.
Ротор для протирания косточковых пло-
дов состоит из двух частей, соединенных вин-
том. Нижняя часть - ступица с упругими паль-
цами - осуществляет протирание, верхняя
часть - выбрасыватель отходов - свободно
поворачивается относительно ступицы. При
вращении ротора по часовой стрелке лопасти
выбрасывателя под воздействием продукта
отводятся от упругих пальцев и не препятст-
вуют протиранию последнего. При вращении
против часовой стрелки выбрасыватель пово-
рачивается для совмещения его лопастей с
упругими пальцами и выбрасывает косточки и
прочие отходы через люк в емкость.
Протирочно-резательная машина
МУ-1000 (мод. 723-7М) состоит из привода и
исполнительного механизма, предназначенного
для резания сырых овощей и протирания варе-
ных овощей, фруктов, крупяных продуктов,
творога и др.
Привод состоит из редуктора, электро-
двигателя и станины. Основой исполнительно-
го механизма является полый вертикальный
цилиндрический корпус, открытый сверху и
снизу. К нему с наружной стороны прикреплен
цилиндрический хвостовик, а с внутренней -
редукторная коробка зубчатого конического
редуктора. На верхнюю часть вертикального
вала насаживаются сменные рабочие органы.
При использовании механизма для про-
тирания продуктов к торцовой части корпуса
прикрепляют протирочный диск-сито, а над
ним на вертикальном приводном валу распола-
гают протирочные лопасти.
Затем поверх сита и лопастей устанавли-
вают и закрепляют на корпусе загрузочный
бункер, внутри которого находится двухзаход-
ная улитка.
Овощерезательно-протирочный меха-
низм МОП-11-1 состоит из конического редук-
тора, сменного овощерезательного приспособ-
ления, протирочной воронки, а также набора
сменных рабочих органов и принадлежностей.
В верхней части вертикального вала ус-
тановлены фиксируемые винтом гайки и ста-
кан, на резьбу которого навинчен сбрасыватель
готового продукта. Гайка служит для регули-
рования положения стакана по высоте. От про-
ворачивания стакан удерживается шпонкой.
Овощерезательное приспособление или
устанавливаемая вместо него протирочная во-
ронка закреплены на корпусе с помощью от-
кидных кронштейнов с винтами. При проти-
рочных операциях под воронку устанавливают
протирочный диск-сито, который состоит из
литого корпуса и сита, с отверстиями 2 или
5 мм. Протирочный рабочий ротор-лопасть
фиксируют винтом, головка которого предо-
храняет диск-сито от проворачивания.
Лопастной ротор служит для протирания
продуктов и представляет собой сварную де-
таль, состоящую из втулки и двух лопастей,
которые обеспечивают прижатие протираемого
продукта к ситу.
Сменный многоцелевой механизм
МС4-7-8-20 состоит из редуктора с коробкой
скоростей, сменных бачков и приспособлений,
а также сменных рабочих органов. Редуктор с
коробкой скоростей состоит из корпуса, дета-
лей коробки скоростей, конической и плане-
тарной цилиндрической передач, хвостовика и
кронштейна.
На выступающем из крышки конце вала
планетарного редуктора имеется соединитель-
ная муфта для закрепления сменных рабочих
органов. Снизу к корпусу редуктора прикреп-
лен кронштейн, на который устанавливают
сменные бачки или обечайку для продукта. Для
протирания вареных овощей, мяса, круп, пече-
ни и других продуктов к редуктору подсоеди-
няют обечайку, в которую вставлено сито с
отверстием 3 мм и протирочную лопасть.
Протирочное приспособление к овоще-
резке 822-7-10. приводимое в действие от уни-
версального привода, состоит из лопасти,
сита и сбрасывателя. В корпус овощерезки,
укрепленной на приводе, вставляется рабочий
вал, на который последовательно надевают
сбрасыватель, сито и лопасть. На ушки-
приливы, имеющиеся на корпусе, подвешива-
ется загрузочный бункер.
Качество протертой массы зависит от
применяемых лопастей, которые для проти-
рочных машин изготовляют в виде двухзаход-
ного или однозаходного винта, импеллера,
валков, бил, V-образной формы и др.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ, ПЛЮЩЕНИЯ И РЕЗКИ
307
Двухзаходные винтовые лопасти разру-
шают цельность клеточных оболочек у карто-
феля, в результате чего жидкий крахмал выли-
вается из них и заклейстеризовывает карто-
фельное пюре. При измельчении этими лопа-
стями моркови и свеклы полученное пюре
представляет собой неоднородную крупнозер-
нистую массу.
Лопасти типа импеллера продвигают
продукт по ситу, не сжимая его и не оказывая
на него давления. По такому же принципу ра-
ботают валки и фигурные лопасти. Там, где
лопасти оказывают незначительное воздейст-
вие на продукт, подвергая его минимальному
давлению в плоскости расположения сита без
значительной деформации и сжатия, обеспечи-
вается высокое качество протертой массы.
Анализ скоростей показал, что качество
пюре получается хорошим в том случае, если
скорость продавливания продукта через отвер-
стия немного больше или равна скорости про-
движения продукта по ситу. У лопасти, выпол-
ненной в виде однозаходного винта, на скоро-
сти оказывают влияние два угла: подъема вин-
товой нарезки и рабочего профиля лопасти.
Последний оказывает дополнительное воздей-
ствие на продукт в плоскости сита, что являет-
ся нежелательным. У двухзаходной винтовой
лопасти скорость продавливания продукта
через отверстия сита в 2 раза больше, чем у
однозаходной.
Эксперименты с лопастью, выполненной
в виде импеллера, показали, что скорости из-
меняются в зависимости от угла наклона и
частоты вращения. Скорость выхода продукта
возрастает только при определенных значениях
угла наклона лопасти к ситу и частоты ее вра-
щения.
При увеличении угла наклона лопасти
больше 45° скорость продавливания резко па-
дает. Коэффициент проскальзывания продукта
в плоскости сита возрастает только с увеличе-
нием частоты вращения лопасти. При угле
наклона лопасти 30° коэффициент проскальзы-
вания практически не зависит от частоты вра-
щения лопасти (см. табл. 6.8).
Определение производительности про-
тирочных машин и механизмов. Производи-
тельность протирочных машин с учетом скоро-
сти продавливания продукта может быть опре-
делена по формуле
2=Forp<p3,
где Fo - площадь отверстий сита, м2; V -
скорость продавливания продукта через отвер-
стия сита, м/с; р - насыпная масса продукта,
кг/м3; ф3 - коэффициент, учитывающий за-
полнение сита продуктом; ф3 =0,6... 0,7.
Мощность электродвигателя протироч-
ных машин определяется по формуле (6.21), где
TVj - мощность, необходимая для измельчения
продукта кромками сита; Вт; /V2 “ мощность,
необходимая для продавливания продукта
через отверстия сита, Вт; Г| - КПД передаточ-
ного механизма.
Величина
/Vi = q 1КИ vQ 7фЛ?пп ,
где q - удельное сопротивление измельчения
продукта на единицу длины кромок отверстий
сита, Н/м; <7=15ОН/м; / / - общая длина
6.8. Скорости продавливания продукта через отверстия сита
в зависимости от угла наклона лопасти к ситу и частоты ее вращения
Частота вращения лопасти, мин 1
Угол наклона лопасти, ° 170 240 300 400 450 465
Скорость продавливания продукта, м/с
23 0,018 - - - - -
30 0,025 0,028 0,032 0,035 0,045 -
35 0,032 0,041 0,047 0,058 0,068 -
40 0,037 0,045 0,052 0,063 0,072 0,073
45 0,021 0,030 0,033 0,035 0,023 -
308
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
кромок отверстий сита, м; - коэффициент
использования длины кромок отверстий сита;
/Си = 0,3; z - число лопастей; v0 - окружная
скорость лопасти, м/с; v0 = (огср; гср - сред-
ний радиус лопасти, м; /Спр - коэффициент
проскальзывания продукта; /Спр = 0,4...0,57.
Мощность
N2=SFoapoZ,,
где В - удельное сопротивление продукта при
продавливании через отверстия сита. Па; В =
= 32 кПа; V - скорость продавливания продук-
та через отверстия сита, м/с; ф0 - коэффициент
использования площади отверстий; ф0 = 0,6.
Машины для приготовления карто-
фельного пюре в пищеварочных котлах.
Машина МКП-60 предназначена для приготов-
ления картофельного пюре непосредственно в
пищеварочном электрокотле. Привод крепится
на трехколесной тележке, которую при помощи
специального устройства фиксируют относи-
тельно котла. На тележке установлена телеско-
пическая колонна, состоящая из двух труб.
Внутренняя труба может перемещаться в вер-
тикальном направлении с помощью подъема. В
верхней части этой трубы крепится на подстав-
ке привод ПМ-1,1. Наружная труба, закреплен-
ная на тележке неподвижно и с внешней сто-
роны, имеет рукоятку для передвижения те-
лежки и маховик подъемного механизма.
Головка взбивателя имеет конический
зубчатый редуктор, горизонтальный вал кото-
рого соединен с валом привода. На вертикаль-
ном валу расположена быстросъемная соеди-
нительная муфта для подсоединения лопасти,
которая выполнена в виде рамки, контуры ко-
торой совпадают с контуром котла. Попереч-
ные пластины рамки заточены и согнуты под
определенным углом. В процессе измельчения
картофеля и взбивания пюре котел закрывается
специальной крышкой.
Машина для приготовления картофель-
ного пюре МКП-250 отличается от машины
МКП-60 тем, что взбиватель у нее вращается
одновременно вокруг своей оси и вокруг оси
котла.
Производительность машины типа МПК
У = ,кРФз/Г •
где Ек - объем котла, м3; р - плотность кар-
тофеля, кг/м3; ф3 - коэффициент заполнения
котла; ф3 = 0,5...0,55; Т - время полного цик-
ла приготовления картофельного пюре, мин.
Объем котла
Г + rK2 )/гк,
где /?к - радиус верхней части котла, м; гк -
радиус плоской части днища котла, м; hK -
высота котла, м.
Тенденции развития оборудования
наиболее целесообразно определить путем
изучения динамики патентования исследуемо-
го оборудования. На рис. 6.11 приведена дина-
мика патентования на машины измельчения
кофе [2]: количество выданных охранных до-
кументов W по годам
Анализ патентной информации позволяет
построить матрицу цель - средства и сформу-
лировать наиболее перспективные пути повы-
шения технического уровня и качества машин.
Так, для машин измельчения кофе такими яв-
ляются:
автоматическое поддержание зазора меж-
ду рабочими органами с целью повышения
качества помола;
осуществление помола кофе и его пере-
мешивание под давлением с целью повышения
качества получаемого продукта;
покрытие кольцевого выходного отвер-
стия электропроводным материалом с целью
предотвращения рассыпания и улучшения ка-
чества помола;
использование специальных лопастей для
удаления во время помола мелких частиц кофе
низкого качества с целью повышения качества
получаемого продукта.
Рис. 6.11. Динамика патентования изобретений
на машины измельчения кофе:
/ - повышение удобства эксплуатации, компактно-
сти; 2 - повышение универсальности; 3 - повышение
качества помола кофе; 4 - повышение надежности
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ, ПЛЮЩЕНИЯ И РЕЗКИ
309
6.1.4. РАЗДЕЛЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ПРОДУКТОВ
РЕЗКОЙ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ
МАССОВОГО ПИТАНИЯ
Способ резания применяется для разде-
ления различных продуктов (овощей, фруктов,
мяса, рыбы, хлебобулочных изделий, гастро-
номических товаров - колбасы всех видов,
ветчины, буженины, сыра и т.д.) на ломтики,
дольки, кубики, прямоугольные и квадратные
пластинки, кружочки, а также для шинкования.
В зависимости от вида обрабатываемого про-
дукта оборудование, предназначенное для раз-
резания пищевых продуктов, подразделяются
на четыре группы: овощерезки; мясорубки,
рыхлители мяса; хлеборезки; машины для на-
резки гастрономических товаров.
Овощерезки. Дисковые овощерезки
[8.10]. Для получения качественной поверхно-
сти среза и равномерной толщины отрезаемых
слоев необходимо обеспечить неподвижность
продукта при резке его ножами. С этой целью в
овощерезках типов 723-ЮМ, МС10-160 при-
меняют заклинивание продукта между наклон-
ной винтовой лопастью и опорным диском, в
овощерезках типов МОП-11-1, МР050-200 и
МР0400-1000 - прижатие продукта к опорному
диску с помощью толкателя.
На рис. 6.12 приведена схема заклинива-
ния продукта между поверхностью винтовой
лопасти и опорным диском. Для упрощения
принимается круглый клубень диаметром d.
При определении необходимого угла заклини-
вания 9 трение клубня о поверхности опорно-
го диска и винтовой лопасти не учитывается.
Расчетный иол заклинивания 9 оказывается
меньше, чем для случая, koi да зрение учтено,
поэтому он рассчитывается с некоторым запа-
сом.
На клубень действуют три силы: реакции
опорного диска Nа и винтовой лопасти NB,
направленные по нормали к соответствующей
поверхности, и сила Рн со стороны ножа. Для
того чтобы клубень в момент врезания был
неподвижен, необходимо, чтобы силы Na,
NB и Рн были уравновешены и пересекались
в одной точке 0 - центре клубня, а силовой
треугольник этих сил был бы замкнут.
В зависимости от значений угла заклини-
вания 9 , диаметра клубня d и толщины отре-
заемых слоев h возможны три случая распо-
ложения направления действия силы Рн
относительно точки С приложения силы Na :
Рис. 6.12. Схема заклинивания продукта между винтовой поверхностью и опорным диском
310
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
1) ниже точки С (рис. 6.12, а); 2) через эту
точку (рис. 6.12, б); 3) выше ее (рис. 6.12, в).
Переход от первого положения ко второму и
третьему при одинаковых d и h соответству-
ет увеличению угла заклинивания 0 . В первом
случае неподвижность клубня внутри клина
обеспечена, так как силовой треугольник замк-
нут. Во втором случае силовой треугольник
превращается в отрезок прямой, сила 7VB =0 и
клубень находится в положении неустойчивого
равновесия. В третьем случае силовой тре-
угольник может быть замкнут, если сила 7УВ
изменит направление на противоположное, т.е.
будет направлена вниз. Однако такое направ-
ление силы 7VB на клубень не может быть реа-
лизовано, поэтому на него будет действовать
равнодействующая сила, выталкивающая клу-
бень из клина. Следовательно, неподвижность
клубня в этом случае не обеспечивается.
Предельное значение угла 0, при кото-
ром клубень будет неподвижным при резании,
можно определить из рис. 6.12, 6:
,ве=[2Ой’4
(6.22)
Таким образом, для обеспечения непод-
вижности клубня при резании угол 0 не дол-
жен превышать значения величины, опреде-
ляемого по формуле (6.22).
На рис. 6.13 показана схема удержания
продукта с помощью толкателя. При рассмот-
рении приложенных к клубню сил трение и вес
клубня не учитываются. В момент врезания
ножа при отсутствии трения силы реакции
опорного диска Na и стенки загрузочного окна
А/в, а также силы толкателя и ножа Рн обра-
зуют сходящуюся систему сил и пересекаются
в центре клубня (рис. 6.13, а).
Сила Рн приложена к клубню на высоте h
от опорного диска. Из силового многоугольника
а) б)
Рис. 6.13. Схема удержания продукта
с помощью толкателя
угольника (рис. 6.13, б) следует, что для удер-
жания клубня необходимо выполнение сле-
дующего условия:
(
Рт > Рн sin у или Рт > Ри 1 — .
\ г)
Сила Ри зависит от многих параметров:
физико-механических свойств продукта, его
размеров, формы, угла заточки, остроты ножа,
способа резания.
Производительность дисковых овоще-
резок может быть определена по общей фор-
муле для определения производительности
машин непрерывного действия:
£?=Fot>op<p. (6.23)
где Fq - площадь поперечного сечения дви-
2
жущегося продукта, м .
Для овощерезок с заклинивающим уст-
ройством в виде винтовой лопасти Fo - рабо-
чая площадь опорного диска, которая опреде-
ляется по уравнению
F° =л(^тах “''min)’
где гтах и rmin ~ расстояние от оси вращения
соответственно до начала и конца лезвия, м.
Для овощерезок типа МР050-200, у кото-
рых продукт прижимается к опорному диску
толкателями, Fo является площадью загру-
зочного отверстия.
Скорость продвижения продукта в на-
правлении, перпендикулярном поверхности
диска, м/с,
v0 - hnZp 160,
где h - толщина отрезаемых ломтиков продук-
та, м; п - частота вращения опорного диска,
мин-1; Zp - число ножей, расположенных па-
раллельно поверхности опорного диска.
Коэффициент использования рабочей
площади опорного диска
4>=F/Fo- (6.24)
где F - площадь, занимаемая разрезаемым
продуктом на опорном диске, м2.
Для овощерезок с заклинивающим уст-
ройством в виде винтовой лопасти при верти-
кальном расположении опорного диска ф =
= 0,1...0,2, при горизонтальном расположении
опорного диска ф = 0,2...0,3. Для овощерезки
типа МР050-200 ф = 0,3...0,4.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ, ПЛЮЩЕНИЯ И РЕЗКИ
311
Мощность электродвигателя дисковых
овощерезок затрачивается на разрезание про-
дукта ножами, параллельными опорному дис-
ку, на отгибание ломтиков, на преодоление
трения продукта о рабочую и опорную грани
ножей и об опорный диск. При резке продукта
брусочками, дополнительная мощность затра-
чивается на разрезание продукта ножами, пер-
пендикулярными плоскости опорного диска, и
на преодоление трения продукта об эти ножи:
мощность определяется по формуле
N ~ ^ин^ср^ zp /^\ ’ (6.25)
где Рин - проекция результирующей силы,
приложенной к ножу со стороны продукта, на
плоскость опорного диска, Н; гср - средний
радиус ножа, м; со - угловая скорость опорно-
го диска с ножами, рад/с; zp - число одновре-
менно работающих ножей, параллельных
опорному диску; Г| - КПД передачи.
При резке продукта ломтиками
+P2(sina + /Tpc°sa) + P3/Tp, (6.26)
где /тр - коэффициент трения продукта о
рабочую и опорную грани ножей.
Сила на разрезание продукта ножами,
расположенными параллельно плоскости
опорного диска, Н,
Л ~Qb (/max — ^min )Фн ’ (6.27)
- удельное сопротивление продукта реза-
нию на единицу длины лезвия, Н/м; rmax -
-rmin ” Длина лезвия ножа, м; фн - коэффи-
циент использования длины лезвия; фн <1 .
Сила на отгибание отрезаемого ломтика, Н,
^2 — ^min )фн ’ (6.28)
о
где а - угол заточки ножа, рад; G - модуль
сдвига; Р± ~ сила прижатия продукта к опор-
ной грани ножа.
Для овощерезок с горизонтальным распо-
ложением опорного диска сила Р$Г в соответ-
ствии с рис. 6.14, а определяется по формуле
^r=t J -Ri+^2+g|tge);
tge-Ap
где G| - вес продукта в камере для обработки, Н;
Рис. 6.14. Схема для определения силы прижатия
Рз в овощерезках с опорным диском:
а - горизонтальным; б - вертикальным
a = sina+/тр cosa+cosatgO-/Tp sinatgO.
Для овощерезок с вертикальным распо-
ложением опорного диска сила прижатия Р^
(рис. 6.14, б) определяется из уравнения:
^Зв =tg0_y-^/’1 + a2/2 +G1)-
Для овощерезок, у которых удержание
продукта осуществляется толкателем и стенка-
ми загрузочного устройства
P3b=Pt+Gi. (6.29)
При нарезке продукта брусочками
Рин =pl +/2(sina + /cosa) + P3/ + Р* +Р4,
(6.30)
Сила, направленная на разрезание про-
дукта ножами, перпендикулярными плоскости
опорного диска, Н,
P\=gbhz»^H^
где zH - число ножей, перпендикулярных
плоскости опорного диска, в одной ножевой
гребенке.
Сила Р4 , направленная на преодоление
трения продукта о ножи, расположенные пер-
пендикулярно плоскости опорного диска, оп-
ределяется из уравнения деформации продукта
при сжатии:
где 8 - толщина ножей, расположенных пер-
пендикулярно плоскости опорного диска, м;
312
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Рсж - сила сжатия продукта, Н; а - шаг меж-
ду вертикальными ножами, м; Е - модуль уп-
ругости продукта, Па; F - площадь боковой
поверхности ножа, м2; F-hbn \ Ьн - ширина
ножа, м.
Тогда
/4 -2Ebhbfznqn/a.
Роторная овощерезка так же, как и дис-
ковая, входит в комплект универсальной ово-
щерезательной машины МР0400-1000. Особен-
ность этой овощерезки состоит в том, что ее
ножи в процессе резания остаются неподвиж-
ными, а продукт перемещается вращающимся
ротором с лопастями. На роторной овощерезке
овощи нарезаются ломтиками толщиной 3 мм и
брусочками сечением 3x3, 6 х 6 и 10х 10 мм.
Камерой обработки машины служит вер-
тикально расположенный литой цилиндр, ко-
торый крепится к корпусу с помощью зацепа и
фиксирующей защелки. Сверху на рабочую
камеру устанавливается откидная загрузочная
воронка, которая поворачивается вокруг оси и
стопорится фиксатором. В боковой стенке ра-
бочей камеры имеется проем, куда вставляется
сменный ножевой блок.
Для нарезки продукта ломтиками ноже-
вой блок имеет литую щеку и нож. При уста-
новке ножевого блока в рабочей камере внут-
ренняя поверхность щеки совмещается с внут-
ренней поверхностью камеры, а лезвие ножа
выступает внутрь камеры на расстояние, рав-
ное толщине отрезаемых ломтиков. Острая
кромка ножа располагается параллельно обра-
зующей рабочей камеры. Для нарезки продукта
брусочками ножевой блок дополнительно ос-
нащается ножевой гребенкой, лезвия которой
расположены перпендикулярно стенке камеры.
Ножевые блоки закрепляются в стенке рабочей
камеры с помощью вилки и откидного болта.
Внутри рабочей камеры расположен ро-
тор, имеющий литое основание в виде диска, к
которому прикреплены три вертикальные ло-
пасти, расположенные под углом 65° к каса-
тельной окружности основания ротора, прове-
денной через точку пересечения лопасти с этой
окружностью. Ротор устанавливается на верх-
нем конце выходного вала приводного устрой-
ства машины. С внешней стороны рабочей
камеры напротив режущих инструментов рас-
положен разгрузочный канал, переходящий в
разгрузочное устройство машины.
Производительность роторной овоще-
резки определяется по формуле:
Q = FovopqK§n, (6.31)
где Fo - площадь щели, через которую выхо-
дят отрезаемые ломтики, м2; F0-hl\ h -
толщина ломтика, м; / - длина ножа, м;
Г0=(ог- скорость продвижения отрезаемых
ломтиков через щель, м/с; со - угловая ско-
рость ротора, рад/с; г - внутренний радиус
рабочей камеры, м; ср - коэффициент исполь-
зования длины лезвия; ср = 0,4...0,6; -
коэффициент использования площади боковой
поверхности рабочей камеры; = 0,2...0,3;
= Ел /FK ; Fn - площадь боковой по-
верхности, занимаемая продуктом, находя-
щимся в контакте с заклинивающей гранью
лопасти и поверхностью рабочей камеры, м2;
FK - площадь боковой поверхности рабочей
камеры, м2.
В пуансонном овощерезательном меха-
низме нарезку овощей осуществляют путем
продавливания продукта пуансоном через не-
подвижную ножевую рамку. По такому прин-
ципу работает сменный механизм МС28-100,
присоединяемый к универсальной кухонной
машине ПУ-0,6.
Рабочей камерой механизма служит не-
подвижный пустотелый цилиндр, выполнен-
ный как одно целое с загрузочным каналом.
Нижним торцом камера опирается на ножевую
рамку, которая крепится к корпусу редуктора.
Внутри рабочей камеры перемещается пуан-
сон, к нижнему торцу которого прикреплена
пластинка с выступами, предназначенными для
проталкивания продукта в неподвижную ноже-
вую рамку.
Находясь в крайнем нижнем положении,
пуансон своим выступом закрывает загрузоч-
ный канал, предотвращая тем самым попада-
ние продукта в пространство камеры над пуан-
соном. Пуансон совершает возвратно-посту-
пательное движение, которое передается ему
от привода кухонной машины через червяк и
червячное колесо к коленчатому валу, шейка
которого установлена в прорези рамки-кулисы.
Последняя имеет две пары роликов (подшип-
ников качения), движущихся по направляю-
щим корпуса, и шток, к которому прикреплен
пуансон. При вращении коленчатого вала его
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ, ПЛЮЩЕНИЯ И РЕЗКИ
313
шейка совершает движение по окружности, в
то время как связанная с ней рамка-кулиса
совершает возвратно-поступательное движе-
ние. За один оборот коленчатого вала рамка-
кулиса делает один двойной ход (вверх-вниз).
Производительность пуансонной ово-
щерезки определяется по формуле (6.23),
где Fo - площадь ножевой рамки, м2;
Fo = /4 ; D - диаметр ножевой рамки, м;
v0 - скорость продвижения продукта через
ножевую рамку, м/с;
^o=Vn/60.
/?п - высота хода пуансона, м; пп - число
двойных ходов пуансона, мин1; ср - коэффици-
ент использования объема рабочей камеры; ср =
= 0,15...0,25.
Мощность электродвигателя пуансон-
ной овощерезки
К =(Р* + P4)vo/х] .
Сила, направленная на разрезание про-
дукта режущими кромками ножевой рамки, Н,
р\=4ь
где - общая длина лезвий, м; для брусоч-
7 я/)
ков с сечением («х«) >/ =------; для бру-
2а
. . tiD a + b
сочков с сечением («хе) У1-------------;
2 а ab
для долек = Dz ; z - число ножей с дли-
ной, равной диаметру D ножевой рамки; vp -
коэффициент использования длины лезвий,
\р = 0,7.
Сила трения продукта о ножи ножевой
рамки, Н,
Ра =осж/Т'=2|е^//71/Ч/ ,
где СУсж - напряжение сжатия, возникающее в
продукте в результате продавливания его через
ножевую рамку, Па:
осж =гЕ=—Е;
а
8 - относительная деформация продукта при
его сжатии; 8 - толщина ножей в ножевой
рамке, м; а - ширина брусочка, м; Е - мо-
дуль упругости продукта, Па; F - площадь
соприкосновения продукта с боковыми по-
верхностями ножей, м2;
h[ - высота ножей, м: f - коэффициент тре-
ния продукта о ножи; / = 0.25
Овощерезка с дисковым ножом и ротор-
ной подачей продукта предназначена для на-
резки ломтиками свежих овощей и фруктов
(помидоров, огурцов, редиса, редьки, лимона и
др.). На ней можно нарезать хлеб, колбасу,
ветчину и другие гастрономические товары.
Нарезка продуктов в овощерезке производится
вращающимся дисковым ножом, а подача про-
дукта на нож - вращающимся бункером (рото-
ром).
Овощерезка МС27-40 состоит из сле-
дующих основных частей: дискового ножа,
загрузочного бункера, опорного стола, точиль-
ного приспособления и редуктора. Входной вал
редуктора получает движение от привода уни-
версальной кухонной машины ПХ-0,6. Движе-
ние от вала через выполненный с ним как одно
целое червяк и червячное колесо передается
низкооборотному выходному валу, а через
коническое колесо и шестерню - высокообо-
ротному выходному валу. На хвостовик низко-
оборотного вала насажен бункер, закреплен-
ный с помощью гайки. Движение бункеру от
вала передается штифтом. В бункере имеются
отверстия, в которые закладывается продукт.
Отверстия имеют диаметры 60, 75 и 90 мм и
расположены под углом 60° к горизонтальной
поверхности бункера.
На выходном конце высокооборотного
вала закреплен дисковый нож. Движение ножу
передается посредством штифтов. Дисковый
нож имеет два ограждения: нижнее, закреплен-
ное на корпусе редуктора, и верхнее. На при-
ливе нижнего ограждения ножа установлено
точильное приспособление, которое имеет два
точильных диска для заточки и правки ножа.
На корпусе редуктора под загрузочным бунке-
ром на стойках установлен опорный стол, вы-
полненный из алюминиевого сплава и покры-
тый сверху тонким полированным листом из
коррозионно-стойкой стали. В зоне резания
под бункером опорный стол имеет выемку,
предназначенную для прохода отрезанных
ломтиков. Путем вращения регулировочной
314
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
гайки можно опускать и поднимать опорный
стол, изменять тем самым толщину нарезаемых
ломтиков.
Производительность овощерезки с дис-
ковым ножом и роторной подачей продукта
определяется по формуле (6.23), где Fo -
площадь отверстий бункера, м2; Fo =
= 0,5 ^(j2 +t/2 +d^ ) </j2 , ^2 ’ ~ Диамет-
ры загрузочных отверстий бункера, м; ф -
коэффициент использования площади отвер-
стий бункера.
В бункере имеются два отверстия одного
диаметра. Если для нарезания используются не
все отверстия бункера, нужно брать фактиче-
скую площадь используемых отверстий.
Скорость продвижения продукта по оси
отверстий бункера, м/с;
6Q sinv|/
h - толщина отрезаемых ломтиков, м; -
частота вращения бункера, мин-1; ф - угол
наклона оси отверстий бункера к плоскости
дискового ножа, ф = 60°.
Мощность электродвигателя овоще-
резки с дисковым ножом и роторной подачей
продукта можно определить по формуле
(6.21), где Д/| - мощность, затрачиваемая при
нарезке продукта, Вт; ~ мощность, затра-
чиваемая на преодоление трения продукта по
опорной поверхности, Вт. Мощность
~ Л1Н ’
где Рин - проекция результирующей силы,
приближенной к ножу, на направление скоро-
сти резания, Н;
Рин =/lcosP + P2sinacosP + P2/cosa + P3/.
Сила, направленная на разрезание про-
дукта режущей кромкой ножа, Н,
Р\ =чь1 >
где / - длина режущей кромки, производящей
в данный момент времени разрезание продук-
та, м; /~б/ (диаметру отверстия); р - угол
скольжения; р = arctg .
Сила, направленная на отгибание отре-
заемого ломтика,
=5/6(aGhd),
где а - угол заточки дискового ножа, рад; G -
модуль сдвига, Па; f - коэффициент трения
продукта о рабочую и опорную грани дисково-
го ножа; f = 0,5; Т’р скорость резания про-
дукта, м/с;
“(^н ~^6s*na*) (гн-^sina*) ,
Г’н, г>б - линейные скорости соответственно
ножа и бункера, м/с;
=-------ги ; ^б =-------гб ;
н 30 н, о 3() б’
лн ’ лб _ соответственно частота вращения
ножа и бункера, мин1; гн - радиус ножа, м;
- расстояние от оси вращения бункера до
„ *
оси отверстии в нем; a - угол между направ-
лением движения продукта и нормалью к ост-
рой кромке дискового ножа.
Сила прижатия продукта к опорной грани
дискового ножа, Н; силу можно принять
равной весу Gj продукта, находящегося в
момент резания в отверстии бункера,
где Н - высота бункера, м.
Мощность, затрачиваемая на преодоле-
ние трения продукта об опорный стол, Вт,
= EG’l А’б
где ^G| - суммарный вес продукта, находя-
щегося в отверстиях бункера, Н;
SG1 = FoHP4>g-
Комбинированные овощерезки предна-
значены для нарезки кубиками и брусочками
вареных овощей, которые используются для
приготовления салатов, винегретов и гарниров.
Нарезка продуктов в овощерезках производит-
ся с помощью вращающихся горизонтальных
прямолинейных ножей и неподвижной ноже-
вой решетки с вертикальными прямолинейны-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ, ПЛЮЩЕНИЯ И РЕЗКИ
315
ми ножами. К комбинированным овощерезкам
относятся машина МРОВ-160 и механизм
МС-18-160.
Комбинированная овощерезка МРОВ-160
состоит из следующих основных частей: элек-
тродвигателя, червячного редуктора, вращаю-
щегося прямолинейного ножа, неподвижной
ножевой решетки, горизонтальной чаши, за-
грузочного бункера с крышкой и разгрузочного
лотка, груза-толкателя. Движение от электро-
двигателя к выходному валу передается через
червячную передачу.
На хвостовике выходного вала с помо-
щью втулок и фасонной гайки закреплен двух-
лопастный прямолинейный нож. Каждая ло-
пасть ножа заточена с одной стороны и имеет
развитую рабочую грань, обращенную к ноже-
вой решетке. Регулирование ножа по высоте
осуществляется прокладками, устанавливае-
мыми между втулкой и ножом. К верхнему
торцу корпуса редуктора крепится горизон-
тальная чаша, служащая камерой для обработ-
ки. В днище чаши имеются два отверстия и два
лотка, один из которых предназначен для вы-
хода нарезанного продукта, другой - для уда-
ления крошки. В днище чаши в месте располо-
жения разгрузочного лотка устанавливаются
сменные неподвижные ножевые решетки с
размерами ячеек 9 х 9; 14 х 14 и 6 х 32 мм.
Сверху чаша закрывается крышкой с загрузоч-
ным бункером. В загрузочный бункер вставля-
ется груз-толкатель.
Механизм MCI 8-160 по конструкции
и принципу действия аналогичен машине
МРОВ-160, но в отличие от нее приводится в
действие не от индивидуального электродвига-
теля, а от привода универсальных кухонных
машин ПХ-0,6 или ПУ-0,6. Кроме того, в меха-
низме вместо червячного редуктора установлен
конический. Механизм комплектуется смен-
ными ножевыми решетками с размерами ячеек
7,7 х 7,7; 13 х 13; 5 х 31 мм.
Производительность комбинированных
овощерезок
!3 +to
где /иПр- масса продукта, единовременно за-
кладываемая в загрузочный бункер; щ = К()рф,
здесь Ио - объем загрузочного бункера; Ио =
-\пЬ^ дДН ; D - диаметр загрузочного
бункера, м; Н - высота бункера, м; ф =
= 0,8... 0,9; и tQ - время соответственно
загрузки и обработки порции продукта, с;
ЗОЯ
1о ~—Г-’
пп
где п - частота вращения горизонтальных
ножей, мин'1; h - толщина отрезаемых ломти-
ков, м.
Мощность электродвигателя комбини-
рованных овощерезок определяется по (6.21),
где N\~ мощность, затрачиваемая при нарезке
продукта на ломтики вращающимся ножом,
Вт; N\ = /*ин со гСр .
Величина Рин определяется по форму-
лам (6.26) - (6.28), (6.30), причем при опреде-
лении Р\ и Р2 принимается разность
rmax ~rmin зависит от веса толкателя
Рт , веса продукта в загрузочном бункере G\ и
определяется как Р3 = РТ + G] ; гср - расстоя-
ние между осью вращения ножа и осью бунке-
ра; со - частота вращения горизонтальных
ножей, рад/с; N2 - мощность, затрачиваемая
на нарезку продукта ножевой решеткой, Вт;
Сила, направленная на разрезание про-
дукта ножевой решеткой, Н,
Р^ЧЬ^
где - длина лезвий ножевой решетки под
рабочей гранью ножа, м; для решетки с квад-
ратными ячейками
У/=—;
tftga
h* - толщина горизонтального ножа, м; а -
шаг ножей ножевой решетки, м; a - угол за-
точки горизонтального ножа.
Сила, направленная на преодоление тре-
ния продукта о боковые грани ножевой решет-
ки, Н; определяется из условия двухосного
сжатия продукта в ячейках решетки:
^4 ~ асж Ff ’
316
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
СУсж - напряжение сжатия продукта, находя-
щегося в ячейках ножевой решетки, Па; для
квадратной ячейки
5Е
аСЖ “ х ’
а(1-ц)
8 - толщина ножей ножевой решетки, м; ц -
коэффициент Пуассона; F - площадь боковых
граней ножей решетки, находящихся под рабо-
2
чей гранью горизонтального ножа, м ;
F=2H* Yj ;
Н* - высота ножевой решетки, м; f - коэф-
фициент трения продукта о боковые поверхно-
сти ножевой решетки, f = 0,5...0,6; Ц1р -
скорость продвижения продукта через ноже-
вую решетку, м/с.
Машины для разрезания мяса и рыбы.
На предприятиях массового питания для мел-
кого измельчения мяса, рыбы и мясопродуктов
используют мясорубки, для разрыхления пор-
ционных кусков мяса и рыбы - рыхлители; для
разрезания костей на части - костерезки, для на-
резания мяса кусочками определенной формы -
механизм для нарезки мяса на бефстроганов.
Мясорубки. В зависимости от производи-
тельности можно подразделить на три группы:
бытовые - до 20 кг/ч, для предприятий массо-
вого питания - 70...400 кг/ч, промышленные
(волчки) - свыше 400 кг/ч.
Все мясорубки имеют принципиально
одинаковое устройство исполнительного меха-
низма.
Рабочая камера в корпусе мясорубки
представляет собой неподвижный пустотелый
цилиндр с ребрами, препятствующими прово-
рачиванию продукта относительно шнека. Рас-
положение ребер может быть винтовым (спи-
ралеобразным) или продольным (параллель-
ным оси рабочего цилиндра). Направление
винтовых ребер противоположно направлению
витков шнека. Обычно применяется правое
направление ребер, так как рабочие шнеки
мясорубок предприятий питания имеют левое
направление витков. Угол подъема винтовых
ребер различный и колеблется от 37 до 48°.
Так, у мясорубки МС-2-70 он равен 40°, у мя-
сорубки МИМ-82 - 40 - 48°, у МИМ-105 - 37°.
Тормозящее действие ребер зависит от их чис-
ла, высоты, формы и расстояния между ними.
Для продвижения продукта в рабочей ка-
мере, подачи его к ножам и проталкивания
через ножевые решетки служит вращающийся
шнек с шагом витков, уменьшающимся в сто-
рону разгрузки.
Особенностью работы шнека является
создание им давления, достаточного для про-
движения продукта через режущий механизм
без отжима содержащейся в нем жидкой фазы.
Коэффициент уплотнения продукта, характе-
ризующийся отношением объемов межвитко-
вых пространств в местах расположения перво-
го и последнего витков, равен 2,25...2,4. Угол
подъема последнего витка колеблется в преде-
лах от 7 до 11 °.
Основными параметрами шнека, влияю-
щими на его производительность и качество
готового продукта, являются: число заходов,
изменение угла подъема винтовой линии по
всей длине шнека, форма и размер межвитко-
вых впадин, число витков, частота вращения,
длина шнека, углы подъема и профиля послед-
него витка.
Режущий инструмент мясорубки состоит
из неподвижной подрезной решетки, вращаю-
щихся крестовидных ножей и неподвижных
ножевых решеток с разными диаметрами от-
верстий и зажимной гайки.
Неподвижная подрезная решетка состоит
из внутреннего и наружного колец, соединен-
ных тремя перемычками, заточенными с одной
стороны. Режущая кромка перемычек распо-
ложена под острым углом к радиусу. Вращаю-
щиеся ножи имеют радиальные лезвия с одной
или двумя режущими плоскостями. Неподвиж-
ные ножевые решетки выполнены в виде дис-
ков с круглыми отверстиями и являются пар-
ными режущими деталями с вращающимися
ножами. Мясорубки, как правило, комплекту-
ются тремя ножевыми решетками с отверстия-
ми диаметром 3, 5 и 9 мм. Оси отверстий реше-
ток перпендикулярны плоскости ножевой ре-
шетки (прямые отверстия).
Мясорубки комплектуются основным на-
бором режущих инструментов для получения
котлетной массы и набором режущих инстру-
ментов для получения крупной рубки. В ос-
новной набор входят: подрезная решетка, два
двусторонних ножа, две ножевые решетки с
отверстиями 9 и 3 или 9 и 5 мм и упорное
кольцо. В набор для крупной рубки входят:
подрезная решетка, один двусторонний нож,
ножевая решетка с отверстиями 9 мм и два
упорных кольца.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ, ПЛЮЩЕНИЯ И РЕЗКИ
317
Мясорубки, применяемые на предприяти-
ях массового питания можно подразделить на
две группы: с индивидуальным приводом
(МИМ-82, МИМ-82М, МИМ-105, МИМ-105М)
и механизмы сменные (МС2-70, МС2-150,
УММ-2, ММП-11-1) к универсальным кухон-
ным машинам.
В мясорубке МИМ-82 движение шнеку
передается от электродвигателя через двухсту-
пенчатый цилиндрический редуктор и ремен-
ную передачу.
Мясорубка 764 отличается от модели
МИМ-82 соосным расположением шнека и
вала электродвигателя. Исполнительный меха-
низм мясорубки 764 по конструктивному вы-
полнению и размерам (за исключением формы
загрузочного устройства и зажимной гайки)
аналогичен исполнительному механизму мясо-
рубки МИМ-82.
Мясорубка МИМ-105 имеет устройство,
аналогичное устройству мясорубки МИМ-82.
Отличие ее от последней состоит в том, что
движение от электродвигателя передается ра-
бочим инструментом с помощью клиноремен-
ной передачи и одноступенчатого цилиндриче-
ского редуктора.
В мясорубке МИМ-105М вращение от
электродвигателя к шнеку передается через
понижающую поликлиноременную передачу.
Мясорубка МИМ-82М по устройству
аналогична мясорубке МИМ-105М, но в отли-
чие от последней имеет меньшие производи-
тельность, массу, габаритные размеры и уста-
навливается на производственном столе.
Мясорубки МС2-70, МС2-150, УММ-2,
ММП-М1-1 приводятся в движение от приво-
дов универсальных кухонных машин (МС2-70
от ПУ-06 и ПГ-06; МС2-150 от ПМ-1,1, УММ-2
от У ММ и ММП-11-1 от П-11). Конструкции
этих мясорубок аналогичны конструкции мя-
сорубки МИМ-82 и отличаются от нее лишь
формой корпусов и загрузочных устройств.
В связи с расширением номенклатуры
выпускаемого измельчительно-режущего обо-
рудования [5] представляет интерес сравнение
отдельных моделей по удельным технико-
эксплуатационным показателям (табл. 6.9).
6.9. Характеристика измельчительно-режущего оборудования |6|
Функционально- однородные группы, марки и модели оборудования Производи- тельность, кг/ч Удельная занимаемая площадь, 103 м 2/кг/ч Удельная масса, кг/ кг/ч Удельная мощность, Вт/ кг/ч
1 2 3 4 5
Мясорубки
М2 (764) 210 1,24 0,30 5,23
МИМ-250М 250 0,47 0,20 4,40
МИМ-82М 250 0,69 0,22 4,40
М-250 250 0,81 0,22 6,00
МИМ-300 300 0,84 0,18 5,00
Л5-МИА 330 1,03 0,20 6,06
МИМ-500 500 0,50 0,25 4,40
МИМ-500М 500 0,67 0,28 4,40
МИМ-600 600 0,63 0,14 3,67
Куттеры
РМК-15К 60* 10,4 3,17 66
К-20 60 10,7 1,17 25
К-12К 100 1,82 0,50 20
К-30 100 4,36*2 1,02*2 30
К-ЗОК 150 2,44 0,67 26
К-25 200 1,91 0,50 25
К45КВ 300 2,03 0,80 23
МИВП 350 0,91 0,43 15
МИВП-М 350 0,82 0,26 21
318
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Продолжение табл. 6.9
1 2 3 1 4 1 5
Овощерезки
МРО-50-200 50 3,13 0,54 8,00
МИСО 100 3,15 0,88 11,0
МРО-250 100 2,26 0,38 3,70
М6-МТЭ 120 0,52 0,08 1,33
«Г амма-5» 125 1,81 0,24 2,96
МРОВ-160 160 1,09 0,13 1,13
М9-ЭС 200 3,83 0,40 4,08
ОМ-ЗОО 300 0,74 0,18 3,67
МРО-350 350 0,43 0,08 1,06
А9-КАФ 500 0,28 0,09 1,10
РЭ-КЭУ-6 600 5,12 1,80 2,75
ОР1 «Сола» 800 0,25 0,06 0,69
МРО-400-1000 90*3 0,43 0,06 0,88
МРО-400-1000 1000*3 0,38 0,05 0,75
Мельницы
ЭКМ1-8 8 7,88 2,25 22,5
КМ 1-8,0 8 13,7 1,68 32,5
Я2-ФЯУ 20 5,63 1,73 55,0
МИК-60 60 1,85 0,87 25,0
* Объем чаши, л , при максимальной.мощности.
*2 Напольный вариант.
*3 Картофель, нарезанный брусочками.
Выбор основных конструктивных па-
раметров мясорубок. В процессе измельчения
необходимо обеспечить сохранение качества
исходных продуктов. Это требование относит-
ся главным образом к сочным продуктам (сы-
рые мясо, рыба), измельчение которых может
вызывать потерю сока. Качество продукта
улучшается, если проворачивание его относи-
тельно стенок рабочей камеры минимальное, а
воздействие последнего витка шнека на про-
дукт направлено преимущественно вдоль оси
рабочей камеры. Для уменьшения проворачи-
ваемости продукта на внутренней поверхности
рабочей камеры делают канавки. Для умень-
шения воздействия последнего витка шнека
на продукт в плоскости режущих инструмен-
тов угол его подъема рп выбирают неболь-
шим^... 10°). Уменьшение рп снижает коли-
чество проворачиваний продукта относительно
рабочей камеры мясорубки.
На рис. 6.15 показана схема воздействия
последнего витка шнека на продукт. Поверх-
ность последнего витка шнека воздействует на
продукт следующим образом: в направлении,
перпендикулярном к ней, - с силой нормально-
го давления W, вдоль этой поверхности -
с силой трения Т, причем
T=Nf,
где f - коэффициент трения продукта о послед-
ний виток.
Равнодействующую силу Р можно раз-
ложить на осевую силу Рп, направленную
параллельно оси рабочей камеры, и окружную
силу Рх, направленную перпендикулярно Рп .
Осевая сила Рп продвигает продукт через
режущие инструменты, а сила Рх способствует
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ, ПЛЮЩЕНИЯ И РЕЗКИ
319
2
Рис. 6.15. Схема воздействия
последнего витка шнека на продукт:
7 - последний виток шнека; 2 - ножевая решетка
проворачиванию продукта. Из рис. 6.15 полу-
чаем соотношение между Рп и Рх :
Р./Рп =tg(₽4 +р),
где р - угол трения.
Уменьшением рл частично можно ком-
пенсировать увеличение частоты вращения
шнека. Число витков шнека оказывает сущест-
венное влияние на производительность. Чем
длиннее шнек, тем меньше продукта вытесня-
ется к загрузочному устройству и тем выше
производительность мясорубки. Длина шнека
мясорубок лежит в пределах (2,5...3,8) D , где
D - наружный диаметр шнека.
Ножевые решетки выполняются с макси-
мально возможным использованием их площа-
ди под отверстия, а также с учетом требуемой
степени измельчения и прочности. При этом
шахматное расположение отверстий предпоч-
тительнее расположения их по квадрату. Ко-
эффициент использования площади решеток
Кр , равный отношению суммарной площади
отверстий к площади решетки, установлен не
менее 0,25.
Производительность мясорубок опре-
деляют по формуле (6.23), где FQ - суммарная
площадь отверстий в первой ножевой решетке,
ближайшей к шнеку, м2; F() = -
диаметр одного отверстия, м; z0 - число от-
верстий ножевой решетки; v0 - скорость про-
движения продукта через отверстие первой
ножевой решетки. Эту скорость можно опреде-
лить как скорость перемещения гайки относи-
тельно винта вдоль его оси;
7ГА7 / \ n rz
60
где п - частота вращения шнека, мин1; гн ,
гв - соответственно наружный и внутренний
радиусы последнего витка шнека, м; Кв -
коэффициент проворачивания продукта отно-
сительно шнека;
А'в =(0)-0)пр )/<*>;
со - угловая скорость шнека, рад/с; соПр -
угловая скорость продукта, рад/с; практически
для мясорубок Кв - 0,35...0,4: ср - коэффици-
ент использования площади отверстий первой
ножевой решетки: ср = 0,7...0,8.
Мощность в мясорубке затрачивается на
разрезание продукта, на преодоление трения в
режущем механизме, на преодоление трения
шнека о продукт и на продвижение продукта
шнеком. Мощность электродвигателя привода
мясорубки
Мощность, необходимая для разрезания
продукта в режущем механизме, Вт. для мясо-
рубки с подрезной решеткой, двумя двусто-
ронними вращающимися ножами и двумя не-
подвижными ножевыми решетками
=^р (^-пр + /Ср2 y^az,
Fp - площадь ножевой решетки, м2; Fnp -
коэффициент использования площади подрез-
ной решетки; АГр|, К^2 ~ коэффициенты ис-
пользования площади решеток соответственно
с крупными и мелкими отверстиями; а -
удельный расход энергии на перерезание про-
дукта, Дж/м2; а= 2,5-103... 3,5103 Дж/м2; z -
число перьев у одного ножа.
Мощность, необходимая на преодоление
трения в режущем механизме, Вт,
^2 (rmax +,min ,
где Р3 - сила затяжки режущего механизма, Н;
= pbz(rmax - rmin ), р - усредненное дав-
ление воздуха в поверхности стыка ножей и
решеток, Па; р= 2 106...3 106 Па; b - ширина
площадки контакта лезвия ножа и решетки, м;
rmax, rmin ~ соответственно наружный и внут-
ренний радиусы вращающегося ножа, м; f -
коэффициент трения скольжения ножа о ре-
320
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
шетку в присутствии измельчаемого продукта;
/ = 0,1; ф - количество плоскостей резания.
Мощность, необходимая на преодоление
трения шнека о продукт и на продвижение
продукта от загрузочного устройства до режу-
щего инструмента, Вт,
к2 и / л л\ (Рср+Р)
=^ГРо Й -rB3)^Btg^-----------
90 v н в 7 cosPcp
где - давление за последним витком шне-
ка, Па; ро= (3...5)1О5 Па; т - число витков
шнека; р - угол трения; Рср - средний угол
подъема витков шнека; зависит от среднего ша-
га /ср витков шнека и среднего диаметра б/ср ;
Pep — aretg^cp /Wcp .
Мясорыхлители. На предприятиях мас-
сового питания порционные куски мяса перед
обжаркой подвергают рыхлению на мясорых-
лителях. Это приводит к размягчению мяса, а
также способствует лучшему его прожарива-
нию и уменьшению деформации кусков при
тепловой обработке.
Мясорыхлители имеют следующее прин-
ципиальное устройство. В камере для обработ-
ки, имеющей прямоугольную форму, располо-
жены два ножевых блока, каждый из которых
представляет собой набор дисковых ножей-
фрез и дистанционных шайб, установленных
на горизонтальных валах. Ножевые блоки вра-
щаются навстречу друг другу. Для предотвра-
щения наматывания продукта на ножевые бло-
ки служат две очистительные гребенки, пла-
стины которых проходят между дисковыми
ножами-фрезами. В верхней части камеры име-
ется прямоугольное загрузочное устройство,
а в нижней - отверстие для выгрузки продукта.
Порционный кусок мяса, имеющий тол-
щину, большую, чем минимальное расстояние
между очистительными гребенками, захваты-
вается зубцами дисковых ножей-фрез и много-
кратно надрезается с обеих сторон. При про-
хождении куска мяса между ножевыми блока-
ми его толщина уменьшается, а площадь уве-
личивается почти в 3 раза.
Мясорыхлители приводятся в действие от
индивидуального электродвигателя (МРМ-15)
или от привода универсальных кухонных ма-
шин (MCI9-1400 и МРП-11-1). Техническая
характеристика мясорыхлителей дана в табл.
6.10.
Привод мясорыхлителя МРМ-15 состоит
из электродвигателя мощностью 0,27 кВт, кли-
ноременной и червячной передач. Мясорыхли-
тель MCI9-1400 имеет ножевые блоки, со-
стоящие из 37 дисковых ножей-фрез и приво-
дится в действие от кухонных машин ПУ-0,6 и
ПМ-11-1-1. Отличительная особенность рых-
лителя МРП-11-1 - расположение зубцов фрез
по винтовой линии, что способствует более
качественной обработке продукта (равномер-
ное нанесение насечек на всю поверхность
куска и плавное его протягивание между ноже-
выми блоками).
Производительность мясорыхлителей
Q=^'
где vQ - окружная скорость ножа, м/с;
Tin Tin ~
vn =—rrn =—о , п - частота вращения
0 30 р 60
ножей-фрез, мин1; гср - средний радиус но-
жевой фрезы, м; S - расстояние между осями
ножевых блоков, м; L - длина обработанного
куска, м/шт.; ф - коэффициент, учитывающий
перерывы в подаче продукта; ф = 0,3.
6.10. Техническая характеристика мясорыхлителей
Параметр МРМ-15 МРП-11-1 МС19-1400
Производительность, шт./ч 1800 1500 1400
Частота вращения ножевых блоков, м-1 90 80 80
Габаритные размеры, мм, длина х ширина х высота 560 х 260 х 390 370 х 140 х 200 375 х 130x 225
Масса, кг 35 7,4 10
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ, ПЛЮЩЕНИЯ И РЕЗКИ
321
Мощность мясорыхлителя определяется
по формуле (6.21), где - мощность, затра-
чиваемая на надрезание продукта дисковыми
ножами-фрезами, Вт, N^nl^Qq^bhz^z^;
q^ - удельное сопротивление резания продук-
та, Н/м; = 500...800 Н/м; b - длина режу-
щей кромки одного зубца, м; h - глубина над-
реза, м; - число зубьев на ноже-фрезе; Zq-
число ножей-фрез в одном ножевом блоке.
Мощность, затрачиваемая на преодоление
трения продукта об очистительные гребенки, Вт,
где псж - напряжение сжатия продукта, Па;
S - расстояние между осями ножевых блоков,
м; t - ширина пластины очистительной гре-
бенки, м; f - коэффициент трения продукта
об очистительные гребенки.
Хлеборезки. Для нарезки хлеба и хлебо-
булочных изделий на предприятиях массового
питания применяют хлеборезки ХРМ-300М и
МХР-200М. Рабочей камерой в машине ХРМ-
300М служит часть пространства внутри плос-
кого дискообразного литого кожуха. В нижней
половине кожуха, на обеих его стенках, име-
ются сквозные, почти квадратные окна (загру-
зочное и разгрузочное). Перед загрузочным
окном укреплен неподвижный лоток, а перед
разгрузочным - наклонный съемный лоток.
Вдоль загрузочного лотка расположен
ходовой винт, совершающий прерывистое
вращательное движение. Разрезаемый хлеб
захватывается и удерживается у толкателя
шарнирно соединенной с ним вилкой.
Рабочим инструментом хлеборезки слу-
жит стальной дисковый нож, совершающий
планетарное движение.
В машине предусмотрено приспособле-
ние для заточки ножа, которое состоит из двух
абразивных дисков. Тормоз с растормаживаю-
щим электромагнитом автоматически включа-
ется в момент выключения электродвигателя.
Для ручного растормаживания служит руко-
ятка.
Машина МРХ-200М (рис. 6.16) состоит
из рамы с электродвигателем, корпуса, переда-
точного механизма, дискового ножа, двух лот-
ков с ограждениями, а также механизмов регу-
лировки толщины отрезаемых ломтиков, пода-
чи хлеба к ножу и заточки ножа. Движение от
электродвигателя 1 через клиноременную пе-
редачу 2 и цепную передачу 3 передается глав-
ному приводному валу 7, на котором жестко
закреплен противовес 5. С другой стороны
противовес опирается на втулку, установлен-
ную в корпусе. К противовесу привинчен
кронштейн 6, в отверстие которого на двух
шарикоподшипниках устанавливается ось с
жестко закрепленной на ней звездочкой 7 и
дисковым ножом 8.
Звездочка 7 цепью соединена со звездоч-
кой 9, закрепленной на оси, которая располо-
жена соосно с приводным валом и соединена с
рукояткой /0, которая в рабочем положении
зафиксирована на корпусе, обеспечивая непод-
вижность оси со звездочкой 9. При вращении
приводного вала дисковый нож совершает пла-
нетарное движение, вращаясь вокруг своей оси
и вокруг оси приводного вала. Кронштейн вме-
сте со звездочкой 9 может перемещаться отно-
сительно противовеса, обеспечивая натяжение
цепи. На корпусе машины закреплены два лот-
ка - неподвижный загрузочный 11 и разгру-
зочный.
Рис. 6.16. Кинематическая схема хлеборезательной машины МРХ-200М
11 — 8434
322
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
В процессе работы приводной вал с по-
мощью эксцентрика 72 и шатуна 13 приводит в
движение обгонную муфту свободного хода 14.
За один оборот приводного вала ведущая часть
обгонной муфты совершает качательное дви-
жение, поворачиваясь на определенный угол.
При этом ведомая часть обгонной муфты пово-
рачивается только в одном направлении, так
как при вращении ведущей части обгонной
муфты в обратном направлении движение ве-
домой части муфты не передается. Ведомая
часть муфты жестко соединена с ходовым вин-
том 75, который совершает прерывисто-
вращательное движение в одном направлении.
Ходовой винт передвигает ролик 16 и
связанную с ним каретку 77, к которой с по-
мощью захвата в виде изогнутых игл прикреп-
лен продукт. Каретка вместе с продуктом со-
вершает прерывисто-поступательное движение
в направлении дискового ножа. Перемещение
продукта происходит по загрузочному лотку
77. Движение дискового ножа и каретки син-
хронизировано таким образом, что в момент
резания каретка с продуктом неподвижна, а
подача продукта происходит в момент, когда
нож выходит из зоны резания.
Толщина отрезаемых ломтиков хлеба ре-
гулируется с помощью механизма регулиров-
ки, состоящего из шайбы, регулировочного
диска с делениями, имеющего спиральную
прорезь, и фасонной гайки.
Гашение кинетической энергии вращаю-
щихся частей машины после выключения элек-
тродвигателя производит установленный на его
валу конический фрикционный тормоз 18 с
электромагнитным приводом.
Производительность хлеборезки
е=—
Z3 +t0
(6.32)
где т - масса нарезаемой порции хлеба, кг;
t3- время подачи хлеба (включает время на
закрепление хлеба и продвижение его в зону
резания); t3= 10... 15 с; t0 - время нарезания
порции продукта, с;
60/
^° ~ я ’
ив8
(6.33)
I - длина подаваемой порции хлеба, мм; пъ -
частота вращения приводного вала, мин-1; 5 -
толщина отрезаемых ломтиков хлеба, мм.
Мощность электродвигателя
^ = ^ин^р/Л> (6.34)
где Рин - проекция результирующей силы,
приложенной к ножу, на направление скорости
резания, Н,
Рин =Р\ cos0 + P2 sinacosp + 2P2/cosa ,
(6.35)
где Р\ - сила, направленная на разрезание
продукта режущей кромкой ножа, Н;
P{=qbb, (6.36)
где qb - удельное сопротивление резанию на
единицу длины лезвия, Н/м; b - длина режу-
щей кромки ножа, производящая резание про-
дукта в данный момент времени (приблизи-
тельно равна ширине нарезаемого хлеба), м;
Р -угол скольжения:
P = arctgKp, (6.37)
где Кр - коэффициент скольжения;
Ар =------
<0вгв
0)н,0)в ~ угловые скорости ножа и водила,
рад/с; гн , гв - радиусы ножа и водила, м.
Сила, направленная на отгибание отре-
заемого ломтика, Н,
A =—aGhb,
6
(6.38)
где а - угол заточки ножа, рад; G - модуль
сдвига, Па; h - толщина отрезаемого ломтика, м;
f - коэффициент трения продукта о дисковой
нож; f = 0,4...0,6; vp - скорость резания про-
дукта, м/с;
— + vn +(0)вгв) •
Машины для нарезки гастрономиче-
ских товаров. Машины этой группы исполь-
зуются на предприятиях массового питания для
нарезки колбас, ветчины, сыра, рыбных руле-
тов ломтиками различной толщины. Нарезку
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ, ПЛЮЩЕНИЯ И РЕЗКИ
323
продукта производят вращающимся дисковым
ножом, а подачу продукта в зону резания -
механизмами качательного или возвратно-
поступательного движения.
В машине МРГ-300А движение от элек-
тродвигателя I (рис. 6.17) передается двумя
червячными редукторами 2 и 3. От редуктора
2, имеющего пятизаходный червяк, движение
передается дисковому ножу 7, а от редуктора 3,
имеющего однозаходный червяк, через четы-
рехзвенный шарнирный механизм - рычагу 5 с
основанием и загрузочным лотком 6. При этом
вращение выходного вала редуктора преобра-
зуется в качательное движение рычага и загру-
зочного лотка. Последний имеет подвижную
опору с фиксаторами.
Опора предназначена для поддержания
продукта в момент резания. Машина комплек-
туется двумя загрузочными лотками: для полу-
чения прямого и косого срезов. Лоток косого
среза позволяет производить нарезку под уг-
лом от 30 до 90° к оси продукта.
Под загрузочным лотком расположен
опорный столик 7, на который под действием
собственной массы опирается продукт. Рас-
стояние между плоскостью опорного стола и
плоскостью ножа равно толщине отрезаемых
ломтиков продуктов. Изменение расстояния
между опорным столиком и ножом произво-
дится с помощью регулятора толщины, в кото-
рый помимо опорного стола входит лимб с
делениями, ручка 8, две направляющие, стойка.
Машина снабжена заточным приспособлением,
состоящим из двух абразивных камней.
Машина МРГУ-370 состоит из станины,
электродвигателя, дискового ножа, механизма
возвратно-поступательного перемещения про-
дукта, механизма шаговой подачи продукта,
регулятора толщины отрезаемых ломтиков,
механизма их съема, приемного стола, зажим-
ного устройства и заточного приспособления.
Продукт закрепляется на подвижном сто-
ле с помощью зажимного устройства, состоя-
щего из вертикальных направляющих и ползу-
на. К ползуну шарнирно прикрепляется штанга
с подвижным штоком и прижим со съемной
зубчатой планкой для удержания продукта.
За один двойной ход каретки съемник со-
вершает одно качание (туда и обратно), причем
благодаря соответствующему профилю кулака
съемник во время подхода продукта к ножу
начинает движение в сторону ножа. В момент
отрезания ломтика иглы съемника накалывают
и удерживают его. После отрезания съемник
поворачивается в обратную сторону и перено-
Рис. 6.17. Кинематическая схема машины
МРГ-300А для нарезки гастрономических товаров
сит ломтик к сбрасывателю-укладчику. При
этом иглы съемника проходят между вилами
сбрасывателя-укладчика. Как только движение
съемника прекращается, сбрасыватель-уклад-
чик делает резкий поворот, снимая ломтик
вилами с игол съемника и укладывает его на
приемный лоток.
Производительность машин для нарезки
гастрономических товаров определяется по
формуле (6.32), где т - масса нарезаемой
порции продукта, кг; t3 - время, затрачивае-
мое на закрепление продукта в загрузочном
лотке или зажимном устройстве. Для МРГ-300А
t3 = 10... 15 с, для МРГУ-370 t3= 20...25 с;
t0 - время нарезания порции продукта, с;
60/
п о
где I - длина нарезаемой порции продукта, мм;
и* - число двойных ходов загрузочного лотка
в машине МРГ-300А или каретки в маши-
не МРГУ-370; 5 - толщина отрезаемых лом-
тиков, мм; в МРГ-300А 5 = 0...15 мм; в
МРГУ-370 5 =0,5...6 мм.
Мощность электродвигателя машины для
нарезки гастрономических товаров (типа
МРГ-300А) определяется по формулам (6.34) -
(6.37). Коэффициент скольжения Кр опреде-
ляется по формуле
vx 0)н гн
АР =—---------->
Щ гпр
здесь 0)н - угловая скорость дискового ножа,
рад/с; гн - радиус ножа, м; £>np - скорость по-
дачи продукта на нож; можно определить, зная
величину хода S загрузочного лотка и число
его и* двойных ходов;
11*
324
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
^пр^5^/30-
Сила, затрачиваемая на отгибание отре-
заемого ломтика, Н, определяется по формуле
(6.38).
Сила прижатия продукта к ножу, Н,
Р3 = ,
где т - масса продукта в загрузочном лотке,
кг; ф*- угол наклона ножа к горизонтальной
плоскости; f - коэффициент трения продукта
о дисковый нож; - скорость резания про-
дукта, м/с.
Ввиду того, что скорость подачи продук-
та относительно линейной скорости режущей
кромки ножа весьма незначительная, можно
принять Vp=vn= 0)н гн .
Техническая характеристика машин для
нарезки гастрономических товаров приведена в
табл. 6.11.
Анализ динамики патентования на иссле-
дуемое оборудование позволяет выявить тен-
денции его развития на мировом уровне, что
является необходимой предпосылкой создания
оборудования, обладающего техническим
уровнем и качеством не ниже мировых стан-
дартов [2].
Основные направления совершенство-
вания оборудования для резки на предпри-
ятиях массового питания следующие.
Для машин измельчения мяса:
применение устройств для удаления ко-
стных и хрящевых включений из мясной массы
с целью повышения качества продукта (напри-
мер, выполнение отводных канавок на шнеках,
решетках или корпусах);
применение охладителей для сохранения
низкой температуры мяса в процессе его измель-
чения и автоматическая регулировка темпера-
туры корпуса с целью повышения качества
продукта;
применение системы регулирования сил
прижима ножа к режущей решетке с целью
улучшения качества резания (например, ис-
пользование надувного кольца, обеспечиваю-
щего автоматическую компенсацию износа
поверхности решетки и ножа);
использование двух шнеков, один из ко-
торых сжимает мясо, а другой - продавливает
сквозь режущий инструмент с целью повыше-
ния качества продукта и производительности
машины;
изменение частоты вращения ножевого
механизма для расширения технологических
возможностей;
выполнение специальных канавок на ра-
бочей поверхности ножа с определенным на-
клоном с целью уменьшения засорения жилка-
ми и хрящами.
Для машин нарезки хлеба:
использование дискового ножа, на торцо-
вой поверхности которого имеются кольцевые
углубления, заполненные тефлоном с целью
повышения качества нарезки продукта;
использование дискового ножа с зубьями
со скосами с задней стороны с целью повыше-
ния качества нарезки продукта.
Для машин нарезки гастрономии:
использование подающего конвейера с
шипами, исключающими проскальзывание
продукта с целью повышения качества нарезки
продукта;
применение специального испарителя,
обеспечивающего охлаждение продукта во
время резки с целью повышения качества его
нарезки;
использование специального счетчика
циклов движения ножа с целью повышения
удобства эксплуатации машины.
6.11. Техническая характеристика машин для нарезки гастрономических товаров
Показатели МРГ-300А МРГУ-370
Производительность, рез./мин 45 45
Диаметр ножа, мм 300 370
У гол нарезания продукта, ° 90... 30 30...45
Предельные размеры нарезаемого продукта, мм 150х 150 160x 200
Максимальный ход зажимного устройства, мм - 200
Пределы регулирования толщины ломтиков, мм 0...15 0...6
Частота вращения ножа, мин-1 390 226
Габаритные размеры, мм, длина х ширина х высота 670 х 460 х 570 890 х 760 х 640
Мощность электродвигателя, кВт 0,37 0,54
Масса, кг 50 120
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ
325
6.2. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ
СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ
Назначение оборудования - разделение
(сепарирование) сыпучего материала на фрак-
ции, отличающиеся свойствами частиц.
Разделение сыпучих материалов на фрак-
ции обусловлено различием физико-механи-
ческих свойств частиц разделяемых компонен-
тов. Смесь можно разделить лишь в тех случа-
ях, если разделению способствуют (сопутст-
вуют) различные физико-механические свойст-
ва частиц: размеры, плотность, коэффициент
трения, форма, упругость, коэффициент удар-
ного трения, скорость витания, магнитная вос-
приимчивость и др.
В процессах переработки сыпучих мате-
риалов принято связывать способы сепариро-
вания, сепарирующие машины и признаки раз-
личия частиц разделяемых компонентов. Одна-
ко такая взаимосвязь условна, так как в ряде
случаев несколько признаков различия оказы-
вают соизмеримое влияние на результаты се-
парирования, хотя для предварительного выбо-
ра способа сепарирования и типа машины по
заданным признакам различия она представля-
ется полезной.
Выбор способа сепарирования в зависи-
мости от основных признаков различия частиц
разделяемых компонентов сыпучей смеси час-
то неоднозначен. На него оказывают влияние
не только направленность действия сопутст-
вующих признаков различия, но и многие дру-
гие факторы: место и значение данной опера-
ции сепарирования в общем технологическом
процессе предприятия, энергоемкость способа,
потребная производительность и др.
Эффективность процесса сепарирования
зависит прежде всего от степени соответствия
желаемых признаков разделения, обусловлен-
ных потребностями производства, возможным
признаком разделения, определяющим различ-
ное направление движения частиц в процессе
сепарирования смеси.
Эффективность (качество) процесса сепа-
рирования определяется степенью извлечения
из общей массы продукта частиц, отличаю-
щихся от окружающих заданными признаками
разделения, и рассчитывается по уравнению:
md mc
md
где mfj - масса частиц, выделенных из исход-
ной смеси по данному признаку разделения, кг;
Wj - масса частиц, отличающихся по данному
признаку разделения от окружающих, содер-
жащихся в исходном продукте, кг; тс - масса
частиц, отличающихся по данному признаку
разделения от окружающих частиц, оставших-
ся в продукте после осуществления процесса
сепарирования, кг.
Для извлечения из исходной смеси час-
тиц, отличающихся шириной и толщиной,
применяют ситовые сепараторы. В ситовых
машинах обрабатываемая сыпучая смесь про-
пускается через неподвижные или движущиеся
(вращающиеся или колеблющиеся) сита. Коли-
чество получаемых фракций определяется чис-
лом сит и рассчитывается по уравнению:
Ф = гс+1,
где Ф - количество фракций; zc - количест-
во сит в машине.
Среди сепарирующих машин широкое
распространение получили машины с колеба-
тельным движением ситовых (решетных) рабо-
чих органов. В зависимости от назначения се-
парирующей машины форма колебаний рабо-
чего органа может быть различной - прямоли-
нейные колебания, круговые и эллиптические
колебания в горизонтальной и вертикальной
плоскости.
6.2.1. МАШИНЫ С КРУГОВЫМ
ПОСТУПАТЕЛЬНЫМ ДВИЖЕНИЕМ РАБОЧИХ
ОРГАНОВ В ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ПЛОСКОСТИ
Машины с круговым поступательным
движением рабочих органов в горизонтальной
плоскости предназначены в основном для се-
парирования зерна и продуктов его измельче-
ния, шелушения и шлифования, для сортиро-
вания соли, чая и других сыпучих материалов.
Наибольшее распространение в этом классе
получили машины для сепарирования продук-
тов измельчения зерна - мельничные рассевы и
для разделения продуктов шелушения, шлифо-
вания зерна - крупяные рассевы.
Калибровщики - машины для сортирова-
ния зерна. Все типы машин входят в состав
основного технологического оборудования
мукомольных, крупяных и комбикормовых
заводов.
Рассевы имеют шкафную или шкафно-па-
кетную конструкцию (рис. 6.18): жесткий кор-
пус /, подвешенный в четырех точках к пото-
лочной раме с помощью тросов или гибких
стержней. Корпус состоит из трех частей: двух
326
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
6)
Рис. 6.18. Схемы мельничного рассева шкафной конструкции:
а - конструктивная; б - кинематическая
многосекционных шкафов 2 и центральной
приводной рамы 3, жестко соединенных между
собой болтовыми соединениями, а также с
помощью траверс 4. На траверсах закреплены
зажимные устройства 5 для тросов 6 или гиб-
ких стержней.
В центральной приводной раме 3 разме-
щен дебаланс 7, вал которого соединен с валом
электродвигателя 8 клиноременной передачей
13. Электродвигатель закреплен на корпусе и
может быть размещен как внутри приводной
рамы, так и на крыше рассева. Дебаланс, элек-
тродвигатель и клиноременная передача обра-
зуют дебалансный привод рассева.
Шкаф рассева шкафно-пакетной конст-
рукции представляет собой сварной паралле-
лепипед, разделенный сплошными перегород-
ками на секции. Каждая секция имеет три глу-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ
327
хие стенки и съемную дверь 14. Внутри каждой
секции между упорами помещен набор пакет-
ных деревянных рам 75, который в вертикаль-
ном направлении сжат зажимным устройством.
Каждая пакетная рама по периферийным зонам
имеет вертикальные каналы для перепуска
продуктов. Между стенками секций, дверью и
наружными стенками пакетных рам образуют-
ся вертикальные каналы для продуктов. В цен-
тральной зоне каждой пакетной рамы вложена
ситовая рамка 7 с очистителем 4 и опорной
сеткой (рис. 6.19). Эти элементы в сборе явля-
ются рабочим органом рассева.
Шкаф рассева шкафной конструкции от-
личается устройством секций. У машин этого
типа кроме глухих секций с одной дверью
имеются сквозные секции с двумя дверями
(рис. 6.20). В каждой секции в плоскости, па-
раллельной боковым стенкам, на некотором
расстоянии от них закреплены направляющие.
Через открывающиеся двери 14 (см. рис. 6.18)
в секцию вдвигают по направляющим ситовые
рамки с поддонами и очистителями, которые в
сборе представляют собой рабочие органы 75
рассева.
В мельничных рассевах используют
тканные или металлические сита с квадратны-
ми ячейками размером 80... 1200 мкм. В каче-
стве очистителей в этих машинах применяют
хлопчатобумажные или полиуретановые шай-
бы, а также трехлопастные очистители. В кру-
пяных рассевах используют металлические
штампованные сита с круглыми, прямоуголь-
ными или треугольными отверстиями. Очистку
сит осуществляют резиновыми шариками.
Пространство, ограниченное снизу ситом,
сверху поддоном, а с боковых сторон направ-
ляющими, образует ситовой канал, по которо-
му под действием подпора движется сортируе-
мый продукт. Для увеличения скорости транс-
портирования продукта в ситовом канале ино-
гда устанавливают гонки.
Между стенками секций, направляющими
и продольными планками ситовых рамок име-
ются боковые вертикальные каналы для пере-
пуска продуктов. В необходимых местах в ка-
налах установлены перекрыши. В дверях рас-
сева и задней коробке имеются каналы, кото-
рые перекрываются горизонтальными и верти-
кальными лотками, образуя систему распреде-
ления продуктов по ситовым рамкам. С помо-
щью лотков и перекрыш в боковых каналах
рассева образуется технологическая система
сортирования продукта в секции.
Рассев снабжен приемно-распределитель-
ным устройством для ввода в секции машины
исходного продукта и распределения его по
ситовым рамкам приемной подгруппы. Это
устройство включает (см. рис. 6.18): приемные
доски 77 с закрепленными на них приемными
патрубками 72, приемные штуцера 9, располо-
женные на шкафах машины, и распределитель-
ные устройства внутри каждой секции шкафа.
Приемные патрубки и штуцера соединены ма-
терчатыми рукавами 10.
Рассортированные продукты выводятся
из рассева через выпускное устройство 6 (см.
рис. 6.20), представляющее собой систему про-
дольных и поперечных каналов в днище рассе-
ва, выпускных штуцеров 16 (см. рис. 6.18) и
коробок 77 с напольными патрубками 18.
Штуцера с напольными патрубками соединены
матерчатыми рукавами 19.
Рис. 6.19. Рабочий орган шкафного
мельничного рассева в разобранном виде:
7 - ситовая рамка; 2 - ситовая ткань; 3 - поддон;
4 - очиститель виброударного принципа действия
Рис. 6.20. Схема секции шкафного
мельничного рассева:
7 - приемные штуцера; 2 - направляющие;
3 - рабочий орган; 4 - двери; 5, 6 - лотки;
6 - выпускное устройство; 7 - выпускные
штуцера; 8 - задняя коробка
328
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Рассев приводится в движение с помо-
щью дебалансного привода, приводимого от
электродвигателя через клиноременную пере-
дачу и дебаланс. В результате вращения деба-
ланса возникают силы инерции, которые воз-
действуют на корпус и он в стационарном ре-
жиме совершает круговые поступательные
колебания. Каждая точка рассева в абсолютном
движении перемещается по окружности радиу-
сом R .
Принцип действия рассева заключается в
перемещении за счет подпора сортируемого
продукта вдоль ситовых каналов и одновре-
менном его сортировании с помощью сита.
Частицы размером больше, чем отверстия сита
перемещаются по нему и сходят с него, обра-
зуя сходовую фракцию, а проходящие сквозь
сита образуют проходовую фракцию. В зави-
симости от технологической системы собран-
ной секции в рассевах получают от двух до
шести фракций, отличающихся размерами час-
тиц и их качеством.
Структура технологической системы рас-
сева определяется числом групп, подгрупп сит
и общим их числом, от десяти до сорока. Число
групп сит в рассеве на единицу меньше числа
фракций, на которые необходимо рассортиро-
вать исходный продукт.
Выбор конкретной технологической схе-
мы зависит от свойств сортируемого продукта,
числа требуемых фракций и, в конечном счете,
определяется местом каждой секции мельнич-
ного рассева в общем технологическом про-
цессе размола зерна. Эффективность сортиро-
вания продуктов в мельничном рассеве опре-
деляют средним коэффициентом извлечения
компонентов [59].
Эффективность процесса сортирова-
ния продуктов в значительной мере зависит от
кинематического режима рассева. Радиус кру-
говых колебаний R конструкции (рассева) с
продуктом и без него и частоту со круговых
колебаний рассева обычно выбирают так, что-
_ 2
бы относительное ускорение со г превышало
второе критическое значение [57], при котором
начинается движение нижнего слоя продукта
относительно сита:
<o2r>g/.
где f - коэффициент трения скольжения час-
тиц по ситу, или коэффициент сопротивления
сдвигу нижнего слоя продукта по В.В. Гортин-
скому.
Радиус г относительной траектории час-
тицы продукта по ситу рассева зависит от ки-
нематического режима и фрикционных свойств
продукта, м:
/? 1 f f
r = 7? J1- ——
V R)
Параметры круювых колебаний рассева
без продукта в зависимости от параметров ма-
шины определяются [56] по формулам:
р _ ,ПД Лд
«к =7^// + с/(ОТк+'"д) .
где тк и - масса соответственно корпуса
рассева и дебаланса, кг; /?д - расстояние от
оси вращения дебаланса до его центра масс, м;
I - длина подвесок рассева; С - суммарный
коэффициент поперечной жесткости подвесок;
при использовании гибких тросов С = 0.
Параметры колебаний рассева с продук-
том определяют [56] приближенно с точно-
стью, достаточной для инженерных расчётов,
по формулам:
fflnP pg< у
тк +'”д1ч(02Яо )
OTnp ~ X I LBfit -
<=1
н = I ц,2,/0,5£
у 2R)
где wrip - масса продукта в рассеве, кг; Hj -
высота слоя продукта на г-м сите рассева, м;
L,B - соответственно длина и ширина сито-
вой рамки рассева, м; р, - плотность сыпучего
продукта на z-м сите, кг/м3; Qt - производи-
тельность потока продукта, поступающего на
z-ю ситовую рамку, кг/с; ц, - концентрация
сходовой фракции в исходном продукте; п -
число ситовых рамок в рассеве.
Все промышленные рассевы работают в
диапазоне зарезонансных частот 1,5...32 1/с.
Радиус колебаний находится в интервале
20...55 мм.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ
329
По условиям минимальных затрат на
производство и эксплуатацию рассева, а также
максимальной эффективности сортирования
продуктов на ситовых рамках, их размеры вы-
бирают из соотношения L = (l-2)B.
Более точное значение радиуса R коле-
бания рассева можно получить в специальной
литературе [58].
Конструирование мельничных рассевов
осуществляют по условиям обеспечения опти-
мального времени tj обработки каждого про-
дукта
Средняя скорость транспортирования
продукта в /-м ситовом канале, м/с,
у = | ViQimR
Рассевы конструируют так, чтобы ампли-
туда крутильных колебаний вокруг его центра
масс была минимальной в стационарном и пе-
реходном режимах.
Амплитуда Ц/ крутильных колебаний не-
загруженного рассева при установившемся
движении определяется [56] по формулам, рад:
m.eRo)2
ш =—-------,
./о? -к
2
тКю Rrc
ц/ =----—;—2--------,
/4 JZ-co2
где тэ - масса электродвигателя, кг; е - рас-
стояние от центра масс электродвигателя до
оси вала дебаланса, м; J - момент инерции
рассева относительно вертикальной оси, про-
ходящей через центр масс рассева, кгм2; к -
коэффициент пропорциональности восстанав-
ливающего момента, Нм; гс - смещение цен-
тра масс корпуса рассева от оси вала дебаланса
за счет массы электродвигателя, м; а - рас-
стояние между точками крепления подвесок к
корпусу рассева по диагонали, м.
Амплитуда ц/п крутильных колебаний
незагруженного рассева в переходном режиме
при постоянном ускорении дебаланса
8 = const определяется [56] по формулам, рад:
2(Уд+7Ик/?2)б
*Ип=----
к
где Jд - момент инерции дебаланса относи-
тельно вертикальной оси, проходящей через
центр масс рассева, кгм2: Л/пдв - пусковой
момент электродвигателя, Н м.
Мощность W электродвигателя рассева
рассчитывается [56] по формулам, Вт:
W=(/Vl+N2+/V3)/n;
Л^2 =0,5(ш + >и)/?/п(О^*Ai ’
где Nj - мощность, затрачиваемая на преодо-
ление трения продукта о сита и сборные дни-
ща; 1^2 ~ мощность, затрачиваемая на преодо-
ление трения в подшипниках привода; =
= 150...300 Вт - мощность на преодоление
трения о воздух; г| - КПД передачи энергии от
двигателя к валу дебаланса; /п - коэффициент
трения в подшипниках; dn - наружный диа-
метр подшипника, м.
6.2.2. КРУПООТДЕЛИТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ
Крупоотделительные машины - сепара-
торы, осуществляющие разделение смесей
шелушеных и нешелушеных зерен крупяных
культур по различию в комплексе физико-
механических свойств (плотности, размерам,
упругости, шероховатости поверхности) час-
тиц компонентов.
По принципу действия крупоотделитель-
ные машины делятся на две основные группы:
1) осуществляющие процесс сепарирова-
ния на ячеистых плоских поверхностях, совер-
шающих сложное движение в вертикальной
плоскости. В этих машинах процесс разделе-
ния основан на различии свойств частиц, опре-
деляющих способность смеси к самосортиро-
ванию (размеры, плотность). В связи с низким
технологическим эффектом крупоотделители с
ячеистыми поверхностями в настоящее время
не применяются;
330
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
2) в которых процесс разделения компо-
нентов смеси осуществляется благодаря разли-
чию упругих и ударно-фрикционных свойств
(упругости, ударного трения) частиц.
Существует два типа виброударных кру-
поотделителей: сепараторы с прямолинейными
колебаниями рабочих органов и сепараторы с
вращательными колебаниями рабочих органов
вокруг вертикальной оси.
Расчет основных параметров крупоот-
делителей с прямолинейными колебаниями
рабочих органов. Рабочим органом крупоотде-
лителей с прямолинейными колебаниями рабо-
чих органов (падди-машины) является канал,
образованный гладким днищем и двумя лома-
ными отражательными стенками (рис. 6.21).
Форма канала в плане представляет собой ряд
последовательно соединенных элементов тра-
пецеидальной формы. Рабочий канал соверша-
ет прямолинейные возвратно-поступательные
колебания в направлении, перпендикулярном
продольной оси канала. Сепарируемый про-
дукт, попав в среднюю часть рабочего канала с
перегибом в днище, подвергается ударному
воздействию отражательных стенок, в резуль-
тате чего продукт делится на две фракции,
перемещающиеся вдоль продольной оси канала
в противоположные стороны.
Обобщенным параметром, характери-
зующим процесс сепарирования, протекающий
в одном элементе рабочего канала, являются
критические координаты 1\ частиц разделяе-
мых компонентов [57]: индекс «1» соответст-
вует более упругим частицам (нешелушеным
зернам), а индекс «2» - менее упругим (шелу-
шеным зернам).
Частицы, находящиеся ниже своей кри-
тической координаты, получают направленное
движение вниз, а находящиеся выше - направ-
ленное движение вверх.
Система уравнений, связывающая крити-
ческую координату /12 е кинематическими
(А и (О) и конструктивными (а и Р) пара-
метрами, а также ударно-фрикционными свой-
ствами частиц (7?1 2 и ^12) разделяемых
компонентов смеси имеют вид:
; (6.39)
2/fa) J
ngsinp
2(0
^1.2
^1,2
(6.40)
(6.41)
с1.2
1-^1,2
ч ^-1,2
-1 sin2a
(6.42)
2(1~Я|.2)
где А - амплитуда колебаний, м; со - частота
колебаний, с'1; а - угол раствора отражатель-
ных стенок, рад; Р - угол наклона нижней
части днища к горизонтальной части днища к
горизонтали, °.
Последовательность расчета поперечных
размеров элемента рабочего канала следующая:
по известной методике определяют зна-
чения коэффициентов восстановления /?| 2 и
мгновенного трения X] 2 для частиц разде-
ляемых компонентов;
задаваясь значениями кинематических
(А и со ) и конструктивных ( а и Р ) парамет-
ров, по уравнениям (6.39) - (6.42) рассчитывают
значения /| и критических координат;
выбирают максимальное /тах и мини-
мальное /min значения поперечных размеров
элемента рабочего канала, исходя из условий
Апах > h и Anin < /2 •
Расчет основных параметров крупоот-
делителей с вращательными колебаниями
рабочих органов. Рабочим органом такого
крупоотделителя является ступенчатое днище
конической формы, разделенное радиально
установленными отражательными стенками на
двенадцать каналов трапецеидальной формы
(рис. 6.22). Рабочие каналы совершают гармо-
нические вращательные колебания вокруг вер-
тикальной центральной оси. Сепарируемый
продукт подается в среднюю часть канала,
в котором имеется вертикальный порог, и
под действием ударов об отражательные стенки
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ
331
а)
Рис. 6.21. Рабочий канал падди-машины:
а - схема устройства; б - элемент рабочего канала
Рис. 6.22. Рабочий канал крупоотделителя с вращательными колебаниями рабочих органов:
а - схема устройства; б - элемент
делится на две фракции. Более легкие и упру-
гие частицы (нешелушеные зерна) выходят из
канала верхним сходом, а более плотные и
менее упругие частицы (шелушеные зерна)
выходят из канала нижним сходом.
Как и для падди-машин, обобщенным па-
раметром, характеризующим процесс разделе-
ния смеси в одном рабочем канале сепаратора,
являются критические координаты /j 2 частиц
разделяемых компонентов.
Система уравнений, связывающая крити-
ческую координату /12 е кинематическими
(и со) и конструктивными (а; г и р )
параметрами, а также ударно-фрикционными
свойствами частиц (R\ 2 и Xi 2) имеют сле-
дующий вид:
. sin(a + ynl 2
2 =2rsina——------------;
sin(<7i,2-Ynl>2)
(6.43)
332
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Tn, 2 =arCtg
asin^ 2 2 sin2<7| 2 СО5ФЛ| 2
aCOS<7i 2 +(^1,2 cos2<71,2 -С|,2)сО5фл) 2
(6.44)
<71,2=a-Ymsin<Pal,2; (6.45)
rcgtgP
2ymr<o2 sin а
1 + л1,2 0 — ^1,2)
(1_/?|j2)(2-^2);
l + /?l,2 ~^-l,2
(1-7?U)(2-X1>2)’
(6.46)
(6.47)
(6.48)
где ym - угловая амплитуда колебаний, °; г -
расстояние от оси колебаний до точки пересе-
чения отражательных стенок, м; фл - фазовый
угол в мгновение удара сыпучей смеси о левую
отражательную стенку, °.
Последовательность расчета поперечных
размеров рабочего канала следующая:
по известной методике определяют зна-
чения коэффициентов восстановления R\ 2 и
мгновенного трения 2 для частиц разде-
ляемых компонентов;
выбирают значения кинематических ( ут
и со) и конструктивных (г;а и Р) парамет-
ров;
варьируя значение фазового угла в преде-
лах 2л>фл>Зл/2, по уравнениям (6.43) -
(6.48) находят соответствующие значения кри-
тических координат /| и /2;
выбирают максимальное /тах и мини-
мальное /mjn значения поперечных размеров
элемента рабочего канала, исходя из условий
^гпах и ^min <^2-
6.2.3. СОРТИРОВОЧНО-КАЛИБРОВОЧНОЕ
ОБОРУДОВАНИЕ ПРЕДПРИЯТИЙ
МАССОВОГО ПИТАНИЯ
На предприятиях массового питания для
сортировки сыпучих продуктов с крупными
частицами, размер которых в поперечном се-
чении измеряется десятками миллиметров (на-
пример, корнеклубнеплоды), применяются
устройства с горизонтально и наклонно распо-
ложенными плоскими ситами, а также бара-
банные устройства, в которых сита имеют
форму цилиндров или многогранных усечен-
ных пирамид. Сита снабжены отверстиями
соответствующего размера и формы, через
которые проходят частицы продукта, размеры
которых меньше размеров отверстий.
Нередко в машинах последовательно ус-
танавливают несколько секций сит с отвер-
стиями различных размеров. В первой секции
располагают сито с отверстиями меньшего
размера, в последующей большего и т.д. (рис.
6.23). В первой секции отделяются мелкие час-
тицы продукта и удаляются из машины в виде
прохода (1-я фракция), а остальные частицы в
виде схода поступают во вторую секцию, где
отделяются частицы продукта 2-й фракции, и
т.д. Последним сходом являются самые круп-
ные частицы продукта, представляющие по-
следнюю фракцию.
Для сыпучих продуктов, частицы кото-
рых измеряются миллиметрами, например,
зерновых, семечковых, круп, в основном при-
меняются плоские сита, расположенные в не-
сколько ярусов. Верхнее сито (решето) имеет
самые крупные отверстия, последующие - по-
степенно уменьшающиеся (рис. 6.24).
Процесс разделения сыпучих продуктов
может иметь самостоятельное значение - для
приготовления готовых продуктов определен-
ных сортов (сортировка и калибровка) или
служить вспомогательной операцией - для
удаления посторонних примесей из муки, зе-
рен, сахарного песка и т.п. (просеивание).
В зависимости от устройства сита и его
кинематики просеиватели могут быть с цилин-
дрическими неподвижными ситами («Пионер»)
и вращающимися (МПМ-800, МС24-300,
МПП-ll-l), с плоскими ситами с вибрацион-
ным их движением (МПМВ-300, СЭ-350).
В тех случаях, когда сыпучий продукт
нужно не только освободить от засорений, но и
разделить по размеру частиц на несколько сор-
тов применяют рассевы.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ
333
Рис. 6.23. Схема барабанного калибровочного устройства
Рис. 6.25. Схема просеивающего механизма
с вращающимся ситом
Рис. 6.24. Схема многоярусного просеивающего
(сортировочного)устройства
Просеиватели с вращающимся ситом.
Просеиватели с вращающимся ситом предна-
значены для механизации процесса отделения
от сыпучих продуктов посторонних примесей
как механических, так и биологических. Ис-
пользуют их в основном в кондитерских, муч-
ных и горячих цехах предприятий массового
питания, а также на специализированных
предприятиях - в блинных, пельменных, варе-
ничных, пирожковых и др.
Основными рабочими органами этих ма-
шин являются сита различной конструкции,
изготовляемые, главным образом, из металли-
ческих плетеных сеток (реже капроновых или
шелковых) или из тонколистовой стали с от-
верстиями круглой, овальной или прямоуголь-
ной формы. В результате просеивания исход-
ный продукт разделяется на две фракции: каче-
ственный продукт (проход) и посторонние
примеси (сход) (рис. 6.25).
Качество просеивания зависит от сле-
дующих факторов: формы и размеров ячеек
сит, размеров частиц и влажности продукта,
толщины слоя продукта на сите, характера
движения продукта по поверхности сита и ха-
рактера движения рабочего органа (сита). На
предприятиях массового питания для просеи-
вания муки и других сыпучих продуктов при-
меняют просеиватели, присоединяемые к при-
водам универсальных кухонных машин, а так-
же стационарные просеиватели.
Просеиватель типа МП П-11-1 предна-
значен для просеивания и аэрации муки всех
сортов, а также для просеивания крахмала,
сахарного песка, соли и дробленых круп. В
движение просеиватель приводится от привода
типа П-11.
Просеиватель состоит из следующих ос-
новных узлов: корпуса, мультипликатора, хво-
334
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
стовика, легкосъемного просеивающего бара-
бана-сита и загрузочного бункера. Корпус име-
ет рабочую камеру и полость, внутри которой
смонтирован конический мультипликатор. В
состав мультипликатора входят зубчатое кони-
ческое колесо, закрепленное на приводном
валу, и коническая зубчатая шестерня, уста-
новленная на вертикальном рабочем валу,
верхняя часть которого размещена в рабочей
камере механизма, с которым соединен рабо-
чий орган просеивателя. На боковой стенке
рабочей камеры выполнено разгрузочное уст-
ройство в виде патрубка и рукава, через кото-
рые из камеры удаляется просеянный продукт.
Просеивающий барабан состоит из карка-
са и металлической плетеной сетки, закреплен-
ной внутри каркаса. К нижней части загрузоч-
ного бункера, расположенного в верхней части
корпуса рабочей камеры, прикреплен распре-
делительный конус с ножами-разрыхлителями,
которые размещены внутри просеивающего
барабана таким образом, что ребро ножа нахо-
дится на расстоянии 1,5...2 мм от поверхности
сита. Это способствует разрушению слежав-
шихся комочков продукта и улучшению про-
цесса просеивания.
Просеиватель комплектуется тремя смен-
ными ситами: № I, 4 для просеивания муки,
крахмала и мелкой соли; № 2, 8 для просеива-
ния сахарного песка и соли; № 4 для просеива-
ния дробленых круп (номер сита указывает на
размер ячейки сита).
Приводной вал просеивателя приводит в
движение вертикальный рабочий вал, а вместе
с ним и барабан-сито. Загруженный в бункер
сыпучий продукт под действием собственного
веса скользит по поверхности распределитель-
ного конуса и поступает внутрь вращающегося
сита. Благодаря вихревым потокам, возникаю-
щим при вращении сита, частицы продукта
прижимаются к его поверхности и проходят
через отверстия. Просеянный продукт через
разгрузочный патрубок удаляется из рабочей
камеры. Примеси, не прошедшие через отвер-
стия сита, остаются внутри барабана и перио-
дически удаляются из него.
Просеиватель МС 24-300 приводится в
движение от привода универсальной кухонной
машины типа ПГ-0,6. Рассматриваемый про-
сеиватель аналогичен по назначению и конст-
рукции просеивателю МПП-11-1, но несколько
отличается от последнего способом крепления
загрузочного бункера к рабочей камере: вместо
быстродействующих зажимов используются
винты-барашки.
Просеиватель МПМ-800 (рис. 6.26) пред-
назначен для просеивания муки различных
сортов и выполнен в виде напольной стацио-
нарной машины.
Вертикальная трубчатая стойка располо-
жена сверху на платформе. Шнек-питатель 2
имеет постоянный шаг витков. Просеивающая
головка 3, закрепленная на верхнем конце
стойки, состоит из рабочей камеры и рабочих
органов. Рабочая камера выполнена в виде
пустотелого цилиндра, на боковой стенке ко-
торого имеется разгрузочное устройство. В
нижней части этого устройства установлены
магнитная ловушка, предназначенная для
улавливания в просеиваемой муке ферромаг-
нитных примесей. Сверху рабочая камера за-
крыта крышкой, которая удерживает в непод-
вижном положении крестовины с ножами-
разрыхлителями. Внутри рабочей камеры раз-
мещен просеивающий барабан-сито, который
приводится в движение шнеком-питателем.
Ножи-разрыхлители расположены вдоль
поверхности сита просеивающего барабана на
расстоянии 1,5...2 мм, что способствует раз-
рыхлению слежавшихся комочков муки и
улучшению процессов просеивания и аэрации.
Рядом с трубчатой стойкой на платформе
размещен загрузочный бункер 7, в нижней
части которого выполнено окно, через которое
мука крыльчаткой 6 подается к шнеку-
питателю. От вала электродвигателя 4 с помо-
щью клиноременной передачи 7 передаточного
механизма 5 приводятся во вращение шнек-
питатель 2, просеивающий барабан и крыль-
чатка 6.
/
7
Рис. 6.26. Кинематическая схема
просеивателя МПМ-800
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ
335
Благодаря большому числу оборотов
шнека-питателя мука забрасывается в рабочую
камеру внутрь сита. Внутри камеры при вра-
щении сита образуются вихревые потоки воз-
духа, сообщающие продукту вращательное
движение. Под воздействием центробежной
силы продукт прижимается к поверхности сита
и проходит через его отверстия. По разгрузоч-
ному устройству просеянный продукт удаляет-
ся из рабочей камеры.
Теоретическая производительность про-
сеивателя с вращающимся ситом [1]
0т ~ 4^оРнФ ’
где До - площадь живого сечения поверхно-
сти сита, м2; и0 - скорость движения частиц
продукта через сито, м/с; рн - насыпная масса
продукта, кг/м3; ф - коэффициент использо-
вания площади сита.
Площадь живого сечения поверхности
сита определяется размерами его ячеек и их
общим числом. Для сит с плетеными сетками
поверхность, занимаемая отверстиями ячеек,
приближенно может быть рассчитана по урав-
нению
AQ=knDH ,
где к - коэффициент живого сечения сетки;
к = 0.6...0,9; D - диаметр барабана, м; Н -
высота барабана, м.
Коэффициент живого сечения сетки зави-
сит от толщины нити и размеров ячеек. Для
густоплетеных сеток этот коэффициент мини-
мальный, с увеличением размеров ячеек его
значение возрастает.
Скорость движения продукта через сито
(скорость просеивания) практически зависит от
толщины слоя продукта, находящегося на по-
верхности сита, и числа оборотов последнего.
Слой муки (продукта) определяется расстояни-
ем от поверхности сита до поверхности ребра
ножа-разрыхлителя. Таким образом, скорость
движения продукта через отверстия сита мож-
но определить по уравнению
где п - частота вращения, сита, мин'1; h -
толщина слоя продукта, равная расстоянию от
поверхности сита до кромки ножа-разрых-
лителя, м; zp - число ножей-разрыхлителей;
^пр = . .0,8 - коэффициент проскальзывания.
Коэффициент использования площади
вращающегося сита ф может определяться из
отношения площади продукта, соприкасающе-
гося с его поверхностью, к полной поверхности
последнего. В связи с тем что площадь контак-
та продукта с поверхностью сита в процессе
работы просеивателя незначительная и в каж-
дый момент времени изменяется в небольших
интервалах, коэффициент использования пло-
щади сита принимается ф = 0,2...0,4. Экспери-
ментально установлено, что для продуктов с
большей плотностью значение коэффициента
ф уменьшается, а для более легких и порис-
тых продуктов возрастает.
Мощность просеивателя с вращающимся
ситом [10]. В процессе работы просеивателя с
вращающимся ситом подводимая к рабочему
валу мощность расходуется на преодоление
трения в цапфах вала просеивающего барабана
и трения продукта о поверхность сита. Таким
образом, мощность электродвигателя просеи-
вателя с вращающимся ситом будет опреде-
ляться по формуле
где N} - мощность, необходимая для преодо-
ление трения продукта о поверхность сита про-
сеивающего барабана, Вт; _ мощность,
необходимая для преодоление трения цапф
вала в подшипниках просеивающего барабана,
Вт; Г|о - общий КПД передаточного механиз-
ма просеивателя.
При вращении барабана просеивателя
возникают центробежная сила инерции массы
продукта, находящегося на поверхности вра-
щающегося сита,
— /27цр со । R,
сила трения, вызываемая центробежной силой
T\=FJ-
Мощность, необходимая на преодоление тре-
ния продукта о поверхность сита,
=7|2?со j, (6.49)
где R - радиус приложения силы трения, рав-
ный радиусу просеивающего барабана, м;
угловая скорость сита, рад/с; f - коэффициент
трения скольжения продукта о поверхность
336
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
сита; f= 0,6... 0,8; шпр - масса продукта,
находящегося на поверхности сита, кг;
шпр = л£>//грнф ; (6.50)
D - диаметр барабана-сита, м; I - высота
просеивающего барабана, м; h - толщина слоя
продукта на сите, равная расстоянию от ребра
ножа-разрыхлителя до поверхности сита, м.
Мощность, затрачиваемая на преодоле-
ние трения цапф вала в подшипниках просеи-
вающего барабана
^2 =/ибЯП“1/|- (6.51)
где - масса просеивающего барабана, кг;
fj - радиус цапфы вала просеивающего бара-
бана, м; /j - коэффициент зрения в подшип-
никах вала просеивающего барабана.
Потребная мощность просеивателя, в
конструкции которого имеются питатели, по-
дающие продукт к просеивающей головке,
где и ~ мощность, определяемая по
формулам (6.49), (6.51); /V3 - мощность, необ-
ходимая на преодоление трения цапф в под-
шипниках шнекового питателя, Вт; /Уд -
мощность, необходимая на перемещение про-
дукта крыльчаткой питателя, Вт.
Мощность, необходимая на преодоление
трения цапф в подшипниках шнекового пита-
теля, может быть определена по уравнению
Л,3=('«ш+'”пр)^(о2/2'-2>
где алш - масса шнека-питателя, кг; wjjp ~
масса продукта, находящегося в витках шнека-
питателя, кг; (02 ~ угловая скорость шнека-пи-
тателя, рад/с; /2 _ коэффициент трения в
подшипниках шнека-питателя; Г2 _ радиус
цапфы вала шнека-питателя, м.
Масса продукта, находящегося в витках
шнека-питателя,
шпр ~71 (/max “rmin )Гв2вРФш ’
где rmax “ расстояние от оси вращения до
конца пера шнека, rmjn - расстояние от оси
вращения до начала пера шнека, м; tB - шаг
витков шнека, м; zB - число витков шнека-
питателя; фш= 0,6...0,8 - коэффициент ис-
пользования объема витков шнека-питателя.
Мощность, необходимая на перемещение
продукта крыльчаткой питателя, зависит от
центробежной силы, возникающей при враще-
нии крыльчатки. Центробежная сила
?к ~ wnp w3 *к ’
сила трения, вызываемая центробежной силой,
72=^к/з;
мощность, необходимая на перемещение про-
дукта крыльчаткой питателя,
^4 = ^2^кю3 ’
где - масса продукта, перемещаемая до-
пастями крыльчатки; RK - радиус приложения
силы трения, равный радиусу крыльчатки, м;
(1)3 - угловая скорость крыльчатки, рад/с; /3 =
= 0,2. ..0,4.
Масса продукта, перемещаемая крыль-
чаткой, зависит от размера площади, описы-
ваемой лопастью крыльчатки, и высоты лопа-
сти:
/ипр=л(Лтах-Лтш)/?кРнФк-
где /?тах - расстояние от оси вращения до
конца лопасти крыльчатки, м; /?т,п - расстоя-
ние от оси вращения до начала лопасти крыль-
чатки, м; hK - высота лопасти крыльчатки, м;
фк - коэффициент использования площади,
описываемой крыльчаткой; фк = 0,6...0,7.
Вибрационные просеиватели. Просеи-
ватель МПМВ-300. Просеиватель предназна-
чен для отделения от муки посторонних при-
месей и ее аэрации, а также просеивания дроб-
леных круп, крахмала и сахарного песка на
предприятиях общественного питания. Про-
сеиватель выполнен в виде настольной маши-
ны и состоит из корпуса, сита, бункера, осно-
вания, электродвигателя, а также загрузочного,
разгрузочного и пускового устройств.
Корпус представляет собой цилиндр, из-
готовленный из тонколистовой коррозионно-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ
337
стойкой стали и разделенный перегородкой на
две части. В верхней части цилиндра закрепле-
ны быстродействующие защелки, предназна-
ченные для соединения бункера с ситом и кор-
пусом. В нижней части цилиндра сделано окно,
к которому прикреплено разгрузочное устрой-
ство в виде прямоугольного лотка. К централь-
ной части перегородки на уровне верхней
кромки цилиндра приварена шпилька, предна-
значенная для закрепления пружины для натя-
жения сита. Снизу к перегородке по всему ее
периметру приварены восемь штырей, предна-
значенных для фиксации пружинных аморти-
заторов. К центральной части перегородки
снизу приварен кронштейн, к которому кре-
пится электродвигатель.
Сито изготовлено из металлического об-
резиненного кольца таврового сечения, к гори-
зонтальной полке которого прикреплена сетка.
В центре сетки закреплена втулка, являющаяся
опорой пружины для натяжения сита. При ус-
тановке на корпус сито обрезиненной поверх-
ностью опирается на торец корпуса, сверху на
обрезиненное кольцо сита устанавливается
загрузочное устройство, которое крепится к
корпусу защелками. В собранном виде корпус
с загрузочным устройством представляет собой
рабочую камеру, разделенную ситом на два
отделения: верхнее - загрузочное и нижнее -
приемное (для готового продукта).
Рабочая камера с помощью пружин-амор-
тизаторов устанавливается на основание, пред-
ставляющее собой сварной цилиндр, к верхне-
му торцу которого приварено кольцо, являю-
щееся опорой для пружин-амортизаторов, ко-
торые опираются на станину машины. К ниж-
нему торцу основания приварено внутреннее
кольцо, являющееся опорой машины. В про-
сеивателе используется электродвигатель, име-
ющий два рабочих вала, на которых закрепле-
ны верхний и нижний дебалансы.
Просеиватель комплектуется сменными
ситами: №1,2 для просеивания муки высших
сортов. №1,6 для муки низших сортов, № 2, 8
для просеивания сахара-песка и соли; № 4 для
просеивания дробленых круп.
При включении электродвигателя он
приводит во вращение дебалансы, сообщаю-
щие рабочей камере сложное колебательное
движение, которое обеспечивает прохождение
частиц продукта через отверстия сита и удале-
ние готового продукта из рабочей камеры.
Максимальная амплитуда колебаний рабочей
камеры в процессе работы просеивателя не
превышает 1,5...2 мм.
Определение мощности вибрационного
просеивателя [10]. Режим работы вибрацион-
ного просеивателя зависит от работы дебалан-
сового механизма. В общем случае дебалансо-
вый момент
Л/д =Gl,
где G - сила тяжести качающихся масс деба-
лансов, Н; / - расстояние от оси вращения до
центра тяжести дебаланса, м.
Мощность электродвигателя вибрацион-
ного просеивателя
где - мощность, необходимая на приведе-
ние в колебательное движение рабочей каме-
ры, Вт; ~ мощность, необходимая на пре-
одоление трения в подшипниках дебалансового
механизма, Вт; Т| - КПД дебалансового меха-
низма.
В табл. 6.12 приведена техническая ха-
рактеристика просеивателей, используемых в
предприятиях массового питания.
6.12. Техническая характеристика просеивателей
Параметры МПМ-800 МПП-11-1, МС-24-300 МПМВ-300
Производительность, кг/ч 800 300 300
Размер ячеек сит, мм 1,4; 1,6 1,4; 2,8; 4,0 1,2; 1,6; 2,8; 4,0
Частота вращения сита, мин1 738 756 -
Частота колебания сита, с-’ — — 1400
Электродвигатель:
тип АОЛ2-21-4 — АВЕО71-4
мощность, кВт 1,1 - 0,18
Габаритные размеры, мм 820 х.750 х 1470 340 х 420 х 450 520 х 500 х 480
Масса, кг (не более) 160 14 26
338
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
При проектировании сортировочно-
калибровочного оборудования с целью повы-
шения его технического уровня и качества
целесообразно обратить внимание на повыше-
ние удельных показателей производительно-
сти, энергопотребления, материалоемкости,
повышение надежности оборудования [9].
6.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО
РАЗДЕЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
6.3.1. отстойники
Процесс отстаивания можно разделить на
сгущение и осветление. Целью сгущения явля-
ется увеличение концентрации твердой фазы, а
целью осветления - удаление твердой фазы из
разбавленного потока суспензии.
Отстаивание применяется для грубого
разделения суспензий, эмульсий и пылей и
характеризуется низкой скоростью процесса.
Отстаиванием не удается полностью разделить
неоднородную смесь на дисперсионную и дис-
персную фазы. Однако простое аппаратурное
оформление процесса и низкие энергетические
затраты определили широкое применение это-
го метода разделения в пищевой и смежных
отраслях промышленности.
Отстойниками называют емкостные
аппараты различных конструкций, в которых
осуществляется механическое удаление взве-
Рис. 6.27. Отстойник полунепрерывного
действия с наклонными перегородками
Рис. 6.28. Отстойник непрерывного действия
с гребковой мешалкой
шенных твердых частиц из потока жидкости
или газа путем осаждения их под действием, в
основном гравитационных сил.
Классификация и принцип действия.
Отстойники классифицируют по ряду призна-
ков:
по виду разделяемых систем - суспензии,
эмульсии, пыли;
по организации работы - периодического
действия, непрерывного действия, полунепре-
рывного действия;
по конструктивному - одноярусные и
многоярусные.
Отстойник периодического действия
представляет собой плоский бассейн без пере-
мешивающих устройств, заполняемый суспен-
зией, которая отстаивается в нем в течение
необходимого для разделения времени. Освет-
ленный слой жидкости сливается (декантиру-
ется) через штуцера, расположенные выше
слоя осадка. Осевший слой (шлам) выгружает-
ся вручную.
Размеры и форма отстойников зависят от
концентрации дисперсной фазы и размеров
частиц. С увеличением плотности и размеров
частиц размеры отстойника уменьшаются.
Продолжительность отстаивания зависит от
вязкости дисперсной фазы, которая снижается
с повышением температуры. Поэтому для ус-
корения процесса отстаиваемую суспензию
подогревают (если это не противоречит техно-
логии).
В отстойник полунепрерывного действия
с наклонными перегородками (рис. 6.27) сус-
пензия подается через штуцер 1 и направляется
с помощью наклонных перегородок 2 попере-
менно сверху вниз и снизу вверх. Устройство
перегородок увеличивает продолжительность
пребывания суспензии и площадь поверхности
отстаивания. Шлам собирается в конических
бункерах 3 и по мере накопления удаляется из
них через запорные устройства 5. Осветленная
жидкость отводится из отстойника через верх-
ний штуцер 4.
Наибольшее распространение в промыш-
ленности получили отстойники непрерывного
действия. Отстойник с гребковой мешалкой 2
(рис. 6.28) представляет собой цилиндрический
резервуар 6 с коническим днищем 5 и внутрен-
ним кольцевым желобом 1 вдоль верхнего края
отстойника. Мешалка 2 с наклонными лопастя-
ми, на которых расположены гребки 3 для пере-
мещения осадка к разгрузочному люку 4, вра-
щается с переменной частотой 0,02...0,5 мин’1.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
339
Суспензия непрерывно подается по трубе
в середину резервуара. Осветленная жидкость
переливается в кольцевой желоб 1 и отводится
из отстойника. Шлам через люк 4 удаляется
при помощи диафрагменного насоса. Извлече-
ние жидкости из шлама, если она является
ценной для производства или ее извлечение
необходимо по технологическим условиям,
производится в установке для противоточной
промывки. В таких отстойниках достигаются
равномерная плотность осадка, эффективное
его обезвоживание. Недостатком гребковых
отстойников является их громоздкость.
Многоярусные отстойники представляют
собой несколько отстойников, поставленных
один на другой, или цилиндрический резервуар
с коническим днищем, внутри которого име-
ются конические перегородки, разделяющие
отстойники на ярусы (рис. 6.29). В результате
этого значительно снижена громоздкость и
увеличена площадь поверхности отстаивания.
Такие отстойники используются на сахарных
заводах для сгущения сатурационных соков.
Отстойник имеет общий вал, на котором
расположены гребковые мешалки 4. Суспензия
через распределительное устройство 1 подает-
ся по трубам 2 в стаканы 3 каждого яруса от-
стойника. Осветленная жидкость собирается
через кольцевые желоба в коллектор 7. Ярусы
соединены стаканами для удаления шлама.
Стакан каждого расположенного выше яруса
опущен нижним концом в слой шлама сле-
дующего яруса. Таким образом, ярусы отстой-
ника последовательно соединены по шламу.
Шлам удаляется только из нижнего яруса через
разгрузочный конус 5, в котором установлен
скребок 6.
Рис. 6.29. Многоярусный отстойник
Для разделения пылей (грубой очистки)
предназначены аппараты непрерывного и по-
лунепрерывного действия, основным из которых
является пылеосадительная камера (рис. 6.30),
которая представляет собой прямоугольный
аппарат с расположенными внутри горизон-
тальными полками 4. Запыленный газ через
регулируемый шибер 3 поступает через всасы-
вающий канал 6 к горизонтальным полкам 4 с
расстоянием между ними 100...400 мм. Назна-
чение полок 4 заключается в уменьшении пути
отстаивания частиц пыли и значительном уве-
личении площади поверхности отстаивания.
При прохождении потока газа между полками
твердые частицы оседают на их поверхности, а
осветленный газ поступает в сборный канал 2 и
далее в выходной 1. Скорость газового потока
в пылеосадительной камере ограничена време-
нем отстаивания: твердые частицы должны
4
Рис. 6.30. Пылеосадительная камера
340
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
успеть осесть на поверхности полок за время
пребывания потока в пылеосадительной камере.
Пыль, осевшая на полках, периодически
удаляется скребками или смывается водой.
Пылеосадительная камера разделена на два
отделения, работающих попеременно (одно
отделение очищается от пыли, а во втором в
это же время происходит очистка газа), что
обеспечивает непрерывность работы.
Пылеосадительные камеры используют
для грубой предварительной очистки газов.
В них отделяются частицы размером свыше
100 мкм. Степень очистки невелика (30.. .40 %).
Принцип очистки газов под действием
инерционных сил заложен в конструкции от-
стойного газохода.
Отстойный газоход с отбойными перего-
родками (рис. 6.31) предназначен для разделе-
ния крупнодисперсных пылей. Перегородки 1
служат для завихрения газового потока. Возни-
кающие при этом инерционные силы способст-
вуют интенсивному осаждению взвешенных
твердых частиц. Осевшая пыль выгружается из
сборников 2 по мере накопления с помощью
шиберов 3. Такие отстойники часто выполняют
в системе газоходов.
Инерционные пылеуловители характери-
зуются простотой устройства и компактно-
стью. Степень очистки в них выше, чем в пы-
леосадительных камерах, и составляет пример-
но 60 %. В инерционных пылеуловителях
улавливаются частицы размером более 25 мкм.
Отстойник для непрерывного разделения
эмульсий (рис. 6.32) состоит из нескольких
частей. Эмульсия подается сверху в левую
часть корпуса 7, откуда поступает в среднюю
сепарационную камеру. Перегородки 2, 3 по-
зволяют регулировать высоту уровня смеси. В
сепарационной части происходит разделение
исходной смеси на составляющие под действи-
ем сил тяжести. Легкая жидкость поднимается
и вытекает из отстойника через верхний шту-
цер, а тяжелая опускается, проходит под пра-
вой перегородкой и вытекает через нижний
штуцер. Каналы для выхода жидкости образу-
ют сообщающиеся между собой сосуды.
Расчет отстойников заключается в опре-
делении площади и высоты осаждения, произ-
водительности, эффективности разделения.
Методы, применяемые для расчета площади
осаждения и высоты отстойника, зависят от
характера суспензий.
Рассмотрим упрощенный метод расчета
поверхности осаждения при свободном от-
стаивании, когда осаждающие частицы прак-
тически не оказывают взаимного влияния друг
на друга.
Принципиальная схема прямоугольного
отстойника приведена на рис. 6.33.
Осветленная
среда
Рис. 6.33. Схема расчета
производительности отстойника
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
341
Удельная производительность отстойника
(в м3/с) равна произведению пощади отстаива-
ния Fo на скорость отстаивания v0 :
Скорость отстаивания определяется в за-
висимости от режима отстаивания по форму-
лам.
Скорость осаждения частиц в жидкости
под действием гравитационной силы
^Рж
где Re - число Рейнольдса; цж и рж - соот-
ветственно динамическая вязкость (Пас) и
плотность (кг/м3) жидкости; d - диаметр частиц.
В случае ламинарного режима осаждения
по уравнению Стокса
7) - — Рж) /а
Г’о ~ 1 о ’ (6.52)
18 цж
где рт - плотность твердых частиц.
Число Рейнольдса определяется в зави-
симости от режима осаждения:
ламинарного
Re = 1/18(фАг) при Re < 1,85 , или
фАг < 33;
переходного
Re = 0,152(<рАг)°’715 при 1,85 < Re <500,
или 33 < фАг < 83 103;
турбулентного
Re = 1,74(фАг)°’5 при Re > 500 , или
фАг>83 103,
э
A Рт ~ Рж
где Аг = —-------------критерий Архимеда,
Уж Рж
который характеризует отношение разности
сил тяжести и подъемной к подъемной силе;
ф - коэффициент формы частиц, зависящий
от геометрии частиц; для шарообразных частиц
ф = 1; Уж - кинематическая вязкость жидко-
сти, м2/с.
При осаждении капель жидкости в жид-
кой среде процесс осложняется тем, что форма
капель непрерывно изменяется. Для расчета
скорости осаждения капель можно рекомендо-
вать формулу:
,2 5/ \Е5/ \0,5
7, gd Рс-Рж Цс
v0 =------ ------- --------
° к Рж ) \PcgJ
где Q - поверхностное натяжение на границе
фаз, Н/м; рс - плотность среды, в которой
происходит осаждение капель, кг/м3; цс -
динамическая вязкость среды, Па с.
Приведенные кинетические закономерно-
сти процесса отстаивания свидетельствуют 4 о
том, что скорость отстаивания повышается с
увеличением размеров и плотности частиц и
уменьшается с увеличением плотности и вяз-
кости среды, в которой происходит отстаива-
ние.
Максимальный размер твердых частиц,
осаждение которых происходит по закону Сто-
кса, можно определить, подставив в уравнение
Стокса (6.52)
вычисленное
Re = 2:
значение скорости отстаивания,
по критерию Рейнольдса при
2
»1,56 3 -Ьк
^max
У Рж LPt ~ Рж )
На практике приходится иметь дело с так
называемым стесненным отстаиванием при
значительных концентрациях твердых частиц в
среде. При таком отстаивании скорость оседа-
ния частиц ниже, чем при свободном, вследст-
вие трения и соударений частиц между собой.
При расчете скорости при стесненном движе-
нии в уравнения вводят поправочные коэффи-
циенты, учитывающие концентрацию частиц в
среде. Если задана производительность от-
стойника, то площадь поверхности осаждения
определяется по формуле:
Л, = /vo•
Из материального баланса разделения
г - х° ~*с •
Pt^qT xq Хп
342
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
эффективность разделения характеризуется
эффектом разделения:
о _ &схс ~ Gnxn
Р “ Г г
осхс
где Gc и Gn - количество соответственно
исходной смеси и осветленной жидкости, кг;
хс, х0, хп - концентрации веществ соответст-
венно в исходной смеси, осадке и в осветлен-
ной жидкости, % по массе; Т - продолжитель-
ность отстаивания.
При отстаивании должны соблюдаться
следующие условия: 1) продолжительность
пребывания разделяемого потока в отстойнике
должна быть равна или больше времени осаж-
дения частиц; 2) линейная скорость потока
должна быть меньше скорости осаждения. При
нарушении первого условия частицы не успе-
вают выделиться из потока и осесть в отстой-
нике, а при нарушении второго условия возни-
кающие вихревые потоки взмучивают и уносят
осаждающие частицы из отстойника.
В отстойнике объем жидкости делится на
следующие зоны: зона осветленной жидкости,
зона питания, переходная зона и зона уплотне-
ния.
Время осаждения и скорость перелива,
определенная по методу длинной трубки, ис-
пользуются для определения высоты зоны ос-
ветленной жидкости и зоны питания. Высота
переходной зоны устанавливается эмпириче-
ски, высота зоны уплотнения - в результате
лабораторных опытов в градуированных ци-
линдрах.
Высота зоны уплотнения может быть оп-
ределена делением объема зоны уплотнения на
площадь осаждения. В расчеты вводится коэф-
фициент надежности, равный 1,75, обеспечи-
вающий максимальную концентрацию осадка.
Общая высота отстойника складывается
из высот четырех зон: зоны осветленной жид-
кости, питания, промежуточной и зоны уплот-
нения. Высота зоны осветленной жидкости
принимается 0,3... 1,8 м, питания и промежу-
точной зоны по 0,6 м.
Если площадь осаждения определена, то
в расчет вводят поправки в виде коэффициен-
тов надежности. Один из коэффициентов на-
дежности учитывает изменения в характери-
стиках исходной суспензии, температуры, кон-
центрации твердой фазы, pH среды и размеров
частиц. Этот коэффициент колеблется в преде-
лах от 1,1 до 1,25 в зависимости от изменения
этих параметров и их влияния на процесс оса-
ждения. Другая поправка учитывает неэффек-
тивную часть объема отстойника, обусловлен-
ную возмущениями на входе потока в отстой-
ник. Она зависит от размеров отстойника и
изменяется от 1,1 для установок диаметром
свыше 30 м до 1,5 для установок диаметром
менее 4,5м.
6.3.2. ФИЛЬТРОВАНИЕ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ
Фильтрованием называют процесс раз-
деления суспензий, пылей и туманов через
пористую фильтрующую перегородку, способ-
ную пропускать жидкость или газ, но задержи-
вать взвешенные в них частицы. В случае раз-
деления суспензий жидкость, прошедшую че-
рез фильтровальную перегородку, называют
фильтратом.
По целевому назначению процесс фильт-
рования может быть очистным или продукто-
вым.
Очистное фильтрование применяют для
разделения суспензий, очистки растворов от
различного рода включений. В этом случае
целевым продуктом является фильтрат. В пи-
щевой промышленности очистное фильтрова-
ние используют при осветлении соков, вина,
виноматериалов, пива и других продуктов.
Продуктовое фильтрование - выделе-
ние из суспензий и газовзвесей диспергирован-
ных в них продуктов в виде осадка. Целевым
продуктом в этом случае является осадок.
Примерами такого фильтрования является раз-
деление дрожжевых суспензий, выделение из
отходящих газов ценных продуктов - сухого
молока, молочно-овощных концентратов и
других продуктов.
Фильтрование осуществляется в специ-
альных аппаратах, называемых фильтрами.
Классификация фильтров и принцип
действия. Процесс фильтрования и фильтры
могут быть классифицированы по нескольким
признакам:
1. По механизму фильтрования. При раз-
делении суспензий в зависимости от вида
фильтровальной перегородки и свойств самой
суспензии фильтрование может происходить с
образованием осадка на поверхности перего-
родки, с закупориванием пор фильтрующей
перегородки и с тем и другим явлениями одно-
временно (промежуточный вид фильтрования).
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
343
Фильтрование с образованием осадка на
поверхности фильтрующей перегородки имеет
место, когда диаметр твердых частиц 6^
больше диаметра перегородки dn (рис. 6.34).
Этот способ осуществим при концентрации
твердой фазы суспензии более 1 % (по массе),
когда созданы благоприятные условия для об-
разования сводиков на входе в поры фильтро-
вальной перегородки. Образованию сводиков
способствует увеличение скорости осаждения
и концентрации твердой фазы в суспензии.
Фильтрование с закупориванием пор
(рис. 6.34, б) происходит, когда твердые части-
цы проникают в поры фильтровальной перего-
родки. Закупоривание пор твердыми частицами
наблюдается уже в начальный период процесса
фильтрования, что снижает производитель-
ность фильтра. Для поддержания ее на долж-
ном уровне фильтр регенерируют, промывая
обратным током жидкости либо прокаливая
металлические фильтровальные перегородки.
Промежуточный вид фильтрования имеет
место в случае одновременного закупоривания
пор фильтровальной перегородки и отложения
осадка на поверхности фильтровальной пере-
городки.
Для повышения скорости фильтрования
при разделении суспензий с твердой фазой
небольшой концентрации либо содержащих
слизистые вещества фильтрование проводят в
присутствии вспомогательных веществ, пре-
пятствующих закупориванию пор фильтро-
вальной перегородки. Слой вспомогательного
вещества наносят на фильтровальную перего-
родку перед фильтрованием суспензии. В каче-
стве вспомогательных веществ используют
тонкодисперсные угли, перлит, асбест, кизель-
гур, фиброфло, аксанит и другие материалы.
2. По движущей силе. Движущая сила
процесса фильтрования - разность давлений по
обе стороны фильтровальной перегородки либо
центробежная сила. Разность давлений можно
получить разными способами: созданием из-
быточного давления над фильтровальной пере-
городкой либо подсоединением пространства
под фильтровальной перегородкой к вакуум-
ной линии. В этих случаях фильтрование про-
исходит при постоянном перепаде давлений и
скорость процесса прямо пропорциональна
разности давлений и обратно пропорциональна
сопротивлению осадка и фильтровальной пере-
городке.
3. По принципу действия и организации
процесса: оборудование, работающее при по-
стоянном перепаде давлений либо при посто-
янной скорости фильтрования; по способу соз-
дания перепада давлений на фильтровальной
перегородке - на работающее под вакуумом
либо под избыточным давлением. В зависимо-
сти от способа создания перепада давлений
фильтровальное оборудование может быть
разделено на фильтры и центрифуги. В зави-
симости от организации процесса - на обору-
дование непрерывного и периодического дей-
ствия.
В фильтрах периодического действия
осадок удаляется после прекращения процесса
фильтрования, в фильтрах непрерывного дей-
ствия - по мере необходимости без остановки
процесса.
Ряд особенностей в организации процесса
и принципах действия имеют мембранные
фильтры, которые способны удерживать час-
тицы весьма малых размеров, вплоть до моле-
кул. Мембранные фильтры подразделяются на
микрофильтрационные, утльтрафильтрацион-
ные и обратноосматические. Последние рас-
сматриваются в разделе массообменного обо-
рудования.
Расчеты процесса фильтрования и
фильтров. Интенсивность фильтрования зави-
сит от качества суспензий, полученных на пре-
дыдущих стадиях технологического процесса,
от характера и свойств осадка, содержания
смолистых, слизистых и коллоидных веществ,
°) В)
Рис. 634. Схема фильтрования:
а - с образованием осадка; б - с закупориванием пор
344
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
вида фильтрования. Поэтому результаты
фильтрования, полученные для какой-либо
суспензии, не всегда могут быть использованы
для другой суспензии.
В общем случае скорость фильтрования
прямо пропорциональна движущей силе про-
цесса (перепаду давлений \р ) и обратно про-
порциональна сопротивлению осадка
у
Ro = —хого, м1 и фильтрующей перегородки
А
/?ф п, м Движение жидкой фазы через слой
осадка обычно происходит при ламинарном
режиме и может быть описано уравнением
— / \ ’
Adx ц(Ro + 7?ф п j
где V - объем фильтрата, м3; А - площадь по-
верхности фильтрования, м3; т- время фильт-
рования, с; ц - динамическая вязкость жидкой
фазы, Па с.
В этом уравнении мгновенная скорость
фильтрования выражена производительностью,
отнесенной к единице площади фильтрования,
А = const:
v = (dY/dx)/А .
Фильтрование может проводиться при по-
стоянном давлении или постоянной скорости.
Для случая фильтрования при \р - const
из уравнения (6.53) после его интегрирования в
пределах 0 - V и 0 - г следует
(654)
Г0Х0 ЦГ0Х0
-2
где г0 - удельное сопротивление осадка, м ;
х0 - объем осадка, образующегося при про-
хождении 1 м3 фильтрата; т - продолжитель-
ность фильтрования.
Уравнение (6.54) применимо к слабо-
сжимаемым осадкам и показывает, что с уве-
личением объема фильтрата скорость фильтро-
вания уменьшается.
Продолжительность фильтрования из
уравнения (6.54)
(6.55)
2Ар \Aj \р А
Удельный объем фильтрата (в м3/м2)
2\рх ( Яф п А
Wo Ivo,
^ф.п
ХОГО
7 А
Для случая фильтрования при постоянной
производительности по фильтрату, Q - V/х -
= const получим из (6.53) уравнение, справед-
ливое для фильтрования с образованием слабо-
сжимаемых осадков,
г2 | АрЛ2т
гохо Цхого
Откуда
Ар = цхо''ог</'+НЯф.пг7,
где vf = (У /A)= - скорость фильт-
рации.
Таким образом, перепад давлений возрас-
тает с увеличением продолжительности фильт-
рования, т.е. пропорционально квадрату объе-
ма полученного фильтрата.
Удельный объем фильтрата
Apr ! Г Аф.п )2
|ХХОГО (2хого?
(6.56)
2-^0 Го
Отметим, что эти уравнения являются
приближенными по ряду причин:
в производственных условиях проще под-
держивать постоянную производительность по
исходной суспензии, но не по фильтрату;
не учитывается осаждение из суспензии
твердых частиц под действием гравитацион-
ных сил, в результате чего слой осадка не-
сколько больше, чем от полученного объема
фильтрата;
осадки на фильтровальной перегородке
сжимаются под действием перепада давлений и
их сопротивление растет быстрее, чем в соот-
ветствии с принятой пропорциональностью с
высотой слоя осадка, а также сопротивление
самой фильтрующей перегородки часто суще-
ственно увеличивается от забивающего ее
осадка.
На практике отношение объема осадка к
объему фильтрата х0, удельное объемное со-
противление осадка г0 и сопротивление
фильтрующей перегородки /?ф п определяют
экспериментальным путем.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
345
Уравнение (6.54) может быть представле-
но в виде
К^+2СК/=К’т, (6.57)
где С - константа фильтрования, характери-
зующая гидравлическое сопротивление фильт-
рующей перегородки, м3/м2; К - константа
фильтрования, учитывающая режим фильтро-
вания и физико-химические свойства осадка в
жидкости, м2/с:
С ~ ^ф.п /(ГОХО )’
К=2Др/(цгохо).
Преобразуем уравнение (6.55), разделив
его на К V ,
x/Vf =Vf /К + Тс/К. . (6.58)
Уравнение (6.58) является уравнением
прямой линии, наклоненной к горизонтальной
оси Vj под углом а , тангенс которого tga -
= 2/К , и отсекающей на оси ординат т/Vf
отрезок т - 2С/К . Для построения этой ли-
нии откладываются по оси абсцисс измеренные
значения И|, И?, Vn, а по оси ординат - соот-
ветствующие значения Tj/Ид, ^2/^/2-
Величину х0 находят в результате изме-
рений объемов фильтрата и осадка.
По найденным значениям К и С опреде-
ляют г0 и Яф п.
Расчет фильтровального оборудования
периодического действия заключается в опре-
делении количества аппаратов для обеспечения
заданной суточной производительности по
фильтрату. Для этого выбирают или рассчиты-
вают площадь поверхности фильтрования и
производительность одного аппарата.
Продолжительность цикла фильтрования
тобщ ~ т + твсп + тПр,
где т - продолжительность собственно фильт-
рования по (6.55); твсп - продолжительность
вспомогательных операций (подготовка аппа-
рата к работе, загрузка суспензии, удаление
осадка); тПр - экспериментально определяе-
мое время промывки осадка.
Для ориентировочного расчета продол-
жительности цикла при Др = const и
7?ф п = 0 можно пользоваться зависимостью
^общ — (4.. .6)твсп
Объем фильтрата за один цикл определя-
ют из уравнения (6.54), подставляя в него вы-
бранную площадь А поверхности фильтра и
заданное значение т. Число циклов работы
фильтровальной установки в сутки с одним
фильтровальным аппаратом •
N = Исут/Г ,
для требуемого суточного объема установки по
фильтрату, КСуТ.
Число циклов работы фильтровальной
установки в сутки с одинаковыми фильтро-
вальными аппаратами находят по уравнению
лобщ~^общ/^’ для требуемой производи-
тельности установки по фильтрату.
Число циклов работы одного аппарата в
сутки
24-3600
п --------------.
т + твсп + тпр
Расчет фильтровального оборудования
непрерывного действия при заданной или при-
нятой площади поверхности фильтрования
сводится к определению по заданной произво-
дительности скорости перемещения поверхно-
сти фильтрования, а также необходимого числа
аппаратов для обеспечения заданной произво-
дительности.
На основании экспериментальных дан-
ных принимают наименьшую толщину осадка
h0 , чтобы обеспечить максимальную произво-
дительность. При этом объем фильтрата
Г = h0A/x0 .
Оборудование для фильтрования жид-
костей и газов. Фильтры для разделения сус-
пензий работают как под вакуумом, так и под
избыточным давлением. К фильтрам, рабо-
тающим под давлением, предъявляются повы-
шенные требования к механической прочности.
Их изготовляют по нормам Госгоркотлонадзо-
ра для сосудов, работающих под давлением.
346
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Рис. 635. Нутч-фильтр
с перемешивающим устройством:
1 - привод; 2 - корпус фильтра; 3 - мешалка;
4 - спускной кран; 5 - фильтровальная перегородка;
6 - фильтровальная ткань
Нутч-фильтр (рис. 6.35), работающий
как под вакуумом, так и под избыточным дав-
лением широко распространен в малотоннаж-
ных производствах. Выгрузка из него осадка
механизирована. Для сброса осадка фильтр
снабжен перемешивающим устройством в виде
однолопастной мешалки 3. Для удаления осад-
ка из фильтра на цилиндрической части корпу-
са предусмотрен люк.
Суспензия и сжатый воздух подаются че-
рез раздельные штуцера, фильтрат удаляется
через спускной кран. Фильтр снабжен предо-
хранительным клапаном.
Цикл работы фильтра состоит из запол-
нения его суспензией, фильтрования суспензии
под давлением, удаления осадка с фильтрован-
ной перегородки при вращающейся мешалке и
регенерации фильтровальной перегородки. В
таких фильтрах может проводиться одновре-
менно промывка осадка.
Для фильтрования суспензии применяют-
ся фильтровальные перегородки из картона,
бельтинга и синтетических волокон. Преиму-
ществами фильтровальных перегородок из
синтетических волокон являются высокая ме-
ханическая прочность, термическая и химиче-
ская стойкость.
Из синтетических волокон изготовляются
фильтровальные перегородки с постепенно
изменяющейся плотностью, что обеспечивает
глубинное фильтрование суспензий, содержа-
щих малое количество твердой фазы. Меняю-
щаяся по глубине плотность фильтровального
материала позволяет захватывать частицы по
всей глубине фильтра. При этом крупные час-
тицы задерживаются в наружных, а мелкие - в
глубинных слоях фильтра. Селективное фильт-
рование обеспечивает высокую скорость
фильтруемой среды, предотвращает закупори-
вание поверхностных пор и продлевает срок
службы фильтров.
Рамный фильтр-пресс (рис. 6.36) исполь-
зуется для осветления виноматериалов, вина,
соков, молока, пива. Фильтрующий блок со-
стоит из чередующихся рам и плит с зажатой
Рис. 6.36. Рамный фильтр пресс:
1 - упорная плита; 2 - рама; 3 - плита; 4 - фильтровальная перегородка;
5 - подвижная плита; 6 - горизонтальная направляющая;
7 - винт; 8 - станина; 9 - желоб
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
347
Рис. 6.37. Рама (а) и плита (б) фильтр-пресса:
1,2- каналы для ввода суспензии и промывной жидкости;
3 - дренажный канал; 4 - сборный канал; 5 - отводной канал
между ними фильтровальной тканью или кар-
тоном. Рамы и плиты зажимаются в направ-
ляющих зажимным винтом. Фильтр монтиру-
ется на металлической станине.
Каждая рама и плита (рис. 6.37) имеют
каналы для ввода суспензии и промывной жид-
кости. На поверхности плит с обеих сторон
расположены сборные каналы, ограниченные
сверху дренажными каналами, а снизу отвод-
ным каналом.
При фильтровании суспензия под давле-
нием подается через каналы в рамах и плитах и
распределяется по всем рамам. Фильтрат сте-
кает по дренажным и сборным каналам в пли-
тах и удаляется через отводные каналы 5. При
промывке осадка промывная жидкость под
давлением вводится через соответствующие
каналы, распределяется по рамам и проходит
обратным током через фильтровальную пере-
городку, промывает осадок, а затем удаляется
из фильтра через отводные каналы. При про-
мывке отводные каналы всех нечетных плит
блока должны быть закрыты.
Основным недостатком рамных фильтр-
прессов является трудоемкость выгрузки осад-
ка и замены фильтровальной перегородки. Для
выгрузки осадка необходимы разборка вруч-
ную фильтровального блока, и промывка плит
и рам.
Филыпр-пресс автоматизированный ка-
мерный с механизированной выгрузкой осадка
(ФПАКМ) используется для разделения
тонкодисперсных суспензий с концентрацией
10...500 кг/м3 при температур до 8 °C. Является
фильтром периодического действия. Он состо-
ит из ряда прямоугольных фильтров (рис. 6.38),
Рис. 6.38. Фильтр-пресс с горизонтальными камерами (ФПАКМ):
1 - нижняя плита; 2 - верхняя плита; 3 - пространство для суспензии и осадка;
4 - перфорированный лист; 5 - пространство для фильтрата; 6 - эластичная диафрагма;
7, 9,12 - каналы; 8 - коллектор для суспензии; 10 - коллектор для отвода фильтрата;
11 - пространство для воды; 13 - фильтровальная ткань
348
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
расположенных вплотную один под другим,
благодаря чему возрастает удельная площадь
поверхности фильтрования по отношению к
площади, занимаемой фильтром.
В положении А в камеру из коллектора 8
последовательно поступают суспензия на раз-
деление, жидкость для промывки и сжатый
воздух для подсушки осадка. Фильтрат, про-
мывная жидкость и воздух отводятся по кана-
лам 12 в коллектор 10. В пространство 11 по
каналам 9 подается вода под давлением, кото-
рая с помощью водонепроницаемой диафрагмы
6 отжимает осадок (положение Б).
После окончания стадии фильтрования и
образования осадка давление воды снимается.
Плиты раздвигаются и осадок вместе с фильт-
рующей тканью удаляется из фильтра через
образовавшиеся щели (положение В). Фильт-
рующая ткань выполнена в виде бесконечной
ленты, передвигаемой роликами. У роликов
установлены ножи для съема осадка. Толщина
осадка составляет 5...20 мм. Фильтрование и
промывка осадка проводятся при давлении до
0,7 МПа. Такие фильтры выпускают с фильт-
ровальной поверхностью 5...30 м2.
Барабанные вакуум-фильтры применя-
ются для непрерывного разделения суспензий
концентрацией 50...500 кг/м3. Твердые части-
цы могут иметь кристаллическую, волокни-
стую, аморфную, коллоидальную структуру.
Производительность фильтра зависит от струк-
туры твердых частиц и снижается в указанной
выше последовательности.
Рис. 6.39. Барабанный вакуум-фильтр
с распределительной головкой:
1 - барабан с отверстиями; 2 - фильтровальная ткань;
3 - нож; 4 - секция; 5 - корыто; 6 - мешалка;
7 - труба; 8 - разбрызгиватель;
9 - распределительная головка
Барабанные вакуум-фильтры выпускают-
ся с внешней и внутренней фильтрующей по-
верхностью, которая обтягивается текстильной
фильтровальной тканью. Вращающийся гори-
зонтальный перфорированный барабан 1 разде-
лен перегородками на несколько секций одинако-
вой формы (рис. 6.39), которые за один оборот
барабана проходят зоны: фильтрования, обез-
воживания, промывки, удаления осадка и реге-
нерации фильтровальной ткани. Устройством,
управляющим работой фильтра, является рас-
пределительная головка 9, через которую сек-
ции барабана в определенной последовательно-
сти подсоединяются к магистралям вакуума,
сжатого воздуха и промывочной жидкости.
В стадии фильтрования зона фильтра под
фильтрующей тканью соединяется с вакуумом
и фильтрат, находящийся в корыте, проходит
через фильтровальную ткань. Осадок отклады-
вается на ее поверхности. Промытый и просу-
шенный осадок непрерывно срезается ножом 3,
чтобы взвешенные частицы не отстаивались,
корыто снабжено качающейся мешалкой 6.
Для извлечения пива и дрожжей из дрож-
жевой суспензии, образующейся при седимен-
тации в бродильных чанах и танках, применя-
ется барабанный вакуум-фильтр (рис. 6.40).
Фильтрованный элемент 4 состоит из крупно-
ячеистой сетки, на которую накладывается
мелкоячеистая сетка. Для улучшения условий
фильтрования на мелкоячеистую сетку нано-
сится слой вспомогательного материала - ки-
зельгура либо картофельного крахмала. Пивная
или дрожжевая суспензия, подаваемая из бака,
при вращении барабана равномерно распреде-
ляется по фильтровальной поверхности, а
дрожжевой осадок (лепешка) срезается ножом,
установленным под баком. Содержание сухих
веществ в дрожжевой лепешке достигает
25...28 %. Обрызгивание подсыхающей ле-
пешки водой способствует увеличению выхода
пива примерно на 20 %.
Детали фильтра, находящиеся в контакте
с фильтрующей средой, выполнены из корро-
зионно-стойкой стали. Все детали фильтра
легко очищаются.
Схема фильтровальной установки с бара-
банным вакуум-фильтром показана на рис. 6.41.
Суспензия подается в корыто фильтра /^ко-
тором установлена качающаяся мешалка, пре-
пятствующая сепарации крупных твердых час-
тиц большой плотности. При погружении 30 %
поверхности барабана в суспензию он подклю-
чается к вакуум-насосу 5. Фильтрат и промыв-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
349
Рис. 6.40. Барабанный вакуум-фильтр для извлечения пива и дрожжей:
7 - насос для фильтрата; 2 - вакуум-насос; 3 - пеногаситель; 4 - фильтровальный элемент;
5 - барабан; 6 - труба для фильтрата
Рис. 6.41. Схема фильтровальной установки:
7 - барабанный вакуум-фильтр; 2 - приемник осадка;
3 - сборник фильтрата и промывной жидкости; 4 - воздуходувка;
5 - вакуум-насос; 6 - насосы для отбора фильтрата и промывной жидкости;
7 - насос для суспензии; 8 - емкость для суспензии
ная жидкость собираются в сборниках 3, где от
них отделяется воздух, поступивший в фильтр
во время обезвоживания и промывки осадка, и
затем откачиваются насосами.
Дисковые фильтры (рис. 6.42) применяют-
ся при разделении тонкодисперсных суспензий
и работают под давлением с намывным слоем
вспомогательного вещества. Дисковый фильтр
представляет собой вертикальную емкость с
обогреваемой рубашкой. Внутри фильтра на
полый вал насажены дисковые, металлические
фильтровальные элементы 7 с отверстиями. На
диски натягивается полипропиленовая или
другая фильтровальная ткань, закрепляемая
хомутами. Рабочее давление в фильтре дости-
гает 0,5 МПа, а в рубашке - 0,3 МПа.
В дисковых фильтрах предусмотрен цен-
тробежный сброс подсушенного осадка. Полый
вал вместе с фильтровальными дисками приво-
дится во вращение электро- и гидродвигателем.
Частота вращения вала достигается 250 мин*1.
Вал имеет сальниковые тефлоновые уплотне-
ния.
Перед фильтрованием на фильтровальные
элементы намывают слой вспомогательного
вещества, суспензия которого готовится в сус-
350
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
пензаторе. Готовая суспензия прокачивается
насосом через фильтровальные элементы
до образования намывного слоя толщиной
Рис. 6.42. Дисковый фильтр:
I - шкив; 2 - сальниковое уплотнение;
3 - крышка; 4 - корпус; 5 - рубашка; 6 - вал;
7 - фильтровальный элемент; 8 - подпятник
15...30 мм. Фильтрат из дисков через отвер-
стия в полом валу поступает внутрь вала и
выводится из фильтра в суспензатор. Анало-
гичным образом проводится фильтрование
суспензии. После окончания фильтрования
осадок промывается обратным током фильтра-
та и подсушивается воздухом.
Ленточный фильтр (рис. 6.43) состоит из
рамы, приводного / и натяжного 6 барабанов,
между которыми натянута бесконечная рези-
новая лента 4 с отверстиями. Под ней распо-
ложены вакуум-камеры, соединенные в ниж-
ней части с коллекторами 8 для отвода фильт-
рата и 9 промывной жидкости. За счет вакуума
лента прижимается к верхней части вакуум-
камер. К резиновой ленте натяжными ролика-
ми 7 прижимается фильтровальная ткань, вы-
полненная также в виде бесконечной ленты.
Суспензия подается на фильтровальную
ткань из лотка. Фильтрат под вакуумом отса-
сывается в камеры и отводится через коллектор
в сборник. Промывная жидкость подается че-
рез форсунки 2 на образовавшийся осадок и
отсасывается в камеры, из которых через кол-
лектор отводится в сборник.
На приводном барабане фильтрующая
ткань отделяется от резиновой ленты и огибает
направляющий ролик. При этом осадок со-
скальзывает с фильтровальной ткани и падает в
сборник осадка. При прохождении фильтро-
вальной ткани между роликами она промыва-
ется, просушивается и очищается.
При разработке новых видов фильтро-
вального оборудования следует ориентиро-
ваться на создание компактных аппаратов с
развитой фильтровальной поверхностью, по-
Суспензия
Рис. 6.43. Ленточный вакуум-фильтр:
1 - приводной барабан; 2 - форсунка; 3 - вакуум-камера; 4 - резиновая лента;
5 - лоток; 6 - натяжной барабан; 7 - натяжные ролики; 8 - коллектор для отвода
фильтрата; 9 - коллектор для отвода промывной жидкости; 10 - сборник осадка
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
351
зволяющих проводить ее регенерацию без ос-
тановки технологического процесса.
Фильтры для фильтрования газов от
взвешенных частиц бывают с мягкими, полу-
жесткими и жесткими фильтровальными пере-
городками.
Мягкие пористые перегородки выполня-
ются из тканевых материалов, нетканых волок-
нистых материалов, пористых листовых мате-
риалов (металлоткани, пористые пластмассы и
резины). Полужесткими фильтровальными
перегородками являются различные сетки,
спрессованные волокна, стружки. Жесткие
перегородки изготовляются из пористой кера-
мики или спрессованных металлических по-
рошков, а также пластмасс.
Фильтры с мягкими фильтровальными
перегородками - рукавные или мешочные
фильтры, а также патронные фильтры. Фильт-
рующие элементы рукавных фильтров изго-
товляются из различных тканевых материалов.
Батарейный рукавный фильтр показан на
рис. 6.44.
Рукава и мешки подвешиваются в прямо-
угольном корпусе к общей раме 1. Запыленный
газ поступает снизу вовнутрь рукавов в откры-
тые торцовые отверстия. Проходя через боко-
вые фильтрующие цилиндрические поверхно-
сти рукавов, газ очищается, а пыль оседает на
внутренней поверхности рукавов.
С течением времени растет слой пыли и
увеличивается сопротивление фильтра. Для
регенерации фильтра рукава или мешки перио-
дически встряхивают специальным механиз-
мом 2, смонтированным на крышке. Иногда
применяется обратная продувка газом или воз-
духом фильтрующих элементов фильтра.
Осевшая пыль собирается в коническом днище
фильтра, откуда выгружается шнеком.
В ряде случаев применются секционные
фильтры. Каждая секция в таком фильтре име-
ет свой встряхивающий механизм, что позво-
ляет последовательно производить регенера-
цию фильтрующих элементов без отключения
всего фильтра.
Представляет интерес конструкция ме-
шочного фильтра с соплами Вентури для реге-
нерации фильтров. Фильтр представляет собой
цилиндрический аппарат с коническим сбор-
ником для пыли. Запыленный газ подается в
фильтр снизу через штуцер вовнутрь мешков.
Фильтруясь через мешочные фильтры, газ
очищается от частиц и выходит из фильтра
через штуцер в крышке фильтра. Частицы оса-
ждаются на поверхности мешочных фильтров.
Нормальная работа фильтра происходит при
перепаде давлений в мешочных фильтрах рав-
ном 800 Па. Чистка или замена мешков проис-
ходит, когда перепад давлений достигает 2 кПа.
Для чистки внутри каждого мешка имеет-
ся сопло Вентури, укрепленное также как и
мешки на решетке. Чистка мешков происходит
за счет коротких интенсивных впусков сжатого
воздуха в сопло Вентури. При этом мешки раз-
дуваются и частицы сбрасываются с материала
мешка. Сжатый воздух поступает к соплам
Вентури по коллектору через диафрагменный и
соленоидный клапаны, управляемые таймером
дутьевую трубу и патрубки. Установка сопел
Вентури позволяет производить высококачест-
венную очистку мешков от осевшей пыли.
Такие фильтры рассчитываются по вы-
бранной удельной скорости фильтрования,
которую можно принимать в зависимости от
плотности и степени запыленности газа в пре-
делах 0,01.. .0,06 м3/(м2с).
Рукавные мешочные фильтры обеспечи-
вают высокую степень очистки газа. Содержа-
ние пыли в очищенном газе составляет не-
сколько мг на м3.
Фильтры с полужесткими фильтроваль-
ными перегородками обычно состоят из кассет,
в которых между сетками зажат слой стеклово-
Пыль
Рис. 6.44. Рукавный фильтр:
1 - рама; 2 - встряхивающий механизм;
3 - корпус; 4 - рукав; 5 - шнек
352
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
локна, металлической стружки или других ма-
териалов, пропитанных специальным составом
для лучшего улавливания взвешенных в газе
частиц. Кассеты, объединенные в секции, при-
меняют для очистки малозапыленных газов с
содержанием пыли 0,001 ...0,005 г/м3.
Фильтры с жесткими фильтровальными
перегородками. Для тонкой очистки газов ис-
пользуются фильтры с цилиндрическими коль-
цевыми или плоскими фильтровальными эле-
ментами. На рис. 6.45 показан патронный
фильтр с фильтровальными элементами из
твердого пористого материала.
Цилиндрические фильтровальные элемен-
ты этого фильтра изготовляются из пористой
керамики. В корпусе 4 фильтра на решетке 3
расположены несколько цилиндрических
фильтровальных элементов 5. Запыленный газ
поступает в нижнюю часть фильтра, проходя
через фильтровальные элементы, как показано
на рисунке, и очищается от взвешенных час-
тиц. Осадок собирается на внешней поверхно-
сти фильтровальных элементов, а очищенный
газ выходит из их внутреннего объема и удаля-
ется из фильтра. Регенерация фильтров произ-
Очи ценный газ
Рис. 6.45. Патронный фильтр:
1 - крышка; 2 - коллектор; 3 - решетка;
4 - корпус; 5 - фильтровальный элемент;
6 - днище; 7 - сборник пыли
водится периодической обратной продувкой
фильтровальных элементов сжатым газом,
поступающим через коллектор 2 (см. левую
часть рисунка). Пыль собирается в коническом
днище 6 фильтра и удаляется в сборник 7.
В фильтрах с элементам из прессованного
порошкового материала можно разделять
пыль, содержащую взвешенные частицы раз-
мером более 0,5 мкм.
Расчет газовых фильтров. Общая по-
верхность фильтрования
г = г/^Уд,
где V - расход запыленного газа, м3/с; г?уд -
удельная скорость фильтрования определяется
опытным путем, м3/(м2 с).
Число фильтрующих элементов при из-
вестных диаметре и длине рукава (мешка)
F
п =----,
ndl
где d - диаметр мешка, м; I - длина мешка, м.
Мембранные фильтры. Принципиаль-
ное отличие мембраны от обычных фильт-
рующих перегородок заключается в размере
пор и в том, что частицы задерживаются на
поверхности мембраны, не проникая в поры.
Если обычные фильтрующие материалы за-
держивают частицы размером около 1 мкм, то
мембраны способны задерживать частицы
меньших размеров, микроорганизмы и даже
отдельные молекулы простых солей. Как и в
обычных процессах фильтрования, движущая
сила процесса в мембранном фильтре опреде-
ляется разностью давлений.
В некоторых специфических мембранных
процессах движущую силу удобнее выражать
через разность электрических, химических
потенциалов, через разность концентраций или
температур.
В зависимости от назначения мембраны,
как и процессы разделения, в которых они
применяются, разбиваются на три группы:
микрофильтрационные, ультрафильтрацион-
ные и обратноосмотические. Это деление, ос-
нованное на размере пор задерживаемых час-
тиц, весьма условно. Считается, что в процес-
сах микрофильтрования задерживаются мель-
чайшие механические частицы, дрожжевые
клетки и ассоциированные полимерные и бел-
ковые молекулы. Ультрафильтрационные мем-
браны служат для отделения крупных поли-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
353
мерных, например белковых молекул. В обрат-
ноосмотических фильтрах используют мем-
браны, пропускающие молекулы воды и за-
держивающие ионы растворенных в ней солей.
Процессы микрофильтрования занимают
промежуточное положение между обычным
фильтрованием и ультрафильтрацией. Размеры
частиц, задерживаемых на микрофильтрацион-
ных мембранах, могут соответствовать разме-
рам частиц, задерживаемых в обычных фильт-
рах, например, в фильтрах с намывным слоем
при фильтровании пива. Фильтры для микро-
фильтрования ничем не отличаются от обыч-
ных фильтров, но используемые в них фильт-
рующие перегородки представлены мембрана-
ми. Среди наиболее распространенных фильт-
ров для микрофильтрования следует отметить
прежде всего патронные фильтры с мембран-
ными патронами и пластинчатые фильтр-
прессы, оснащаемые плоскими мембранами.
Процесс фильтрования в этих фильтрах перио-
дического действия идет по типу «в тупик»,
т.е. образующийся на поверхности мембраны
слой из задерживаемых частиц вызывает по-
степенное снижение скорости фильтрования,
что требует остановки для удаления слоя,
обычно обратным током фильтрата, без раз-
борки фильтра. На практике частицы посте-
пенно проникают в рабочий слой мембраны и
закупоривают поры, что требует регенерации
мембраны. Регенерацию осуществляют про-
мывкой специальными моющими растворами,
а иногда, как в случае с керамическими мем-
бранами и мембранами из порошкового мате-
риала, отжигом в муфельных печах с после-
дующей продувкой газом.
В проточных фильтрах с плоскорамными
и трубчатыми модулями удается продлить
время работы фильтра до остановки на регене-
рацию за счет увеличения скорости протока
над мембраной, что нежелательно, а иногда,
как у пива или вина, недопустимо из-за изме-
нения качественных показателей в результате
интенсивного перемешивания.
Полимерные мембраны, используемые в
патронах или проточных модулях, не отлича-
ются долговечностью и после определенного
числа регенераций требуют замены. Керамиче-
ские мембраны и мембраны из порошкового
материала практически не изменяют своих
свойств в процессе эксплуатации и поэтому
долговечны.
Получившие распространение в послед-
нее время установки для микро- ультра-
12—8434
фильтрации, например УМО 2, УМО 5 и т.д., в
своих циркуляционных модулях используют
трубчатые керамические мембраны с порами
0,2 мкм. Цифры, приводимые в марке установ-
ки, обычно указывают площадь поверхности
фильтрования в м2.
В ультрафильтрационных установках для
фильтрования чистых растворов нашли приме-
нение модули на основе полых волокон, отли-
чающиеся очень высокой площадью поверхно-
сти фильтрования в единице объема. Полые
волокна имеют внутренний диаметр 0,2... 1 мм
и могут работать при подаче исходного рас-
твора как с внешней, так и с внутренней сторо-
ны волокна. Волоконные модули представляют
собой цилиндрические конструкции длиной
200...500 мм с двумя крышками для отвода
фильтрата и патрубками для подвода исходно-
го раствора в цилиндрической части.
Очень большой поверхностью в единице
объема отличаются модули рулонного типа,
широко применяемые в процессах обратного
осмоса для очистки воды. Для ультрафильтра-
ции ввиду сложности промывки и регенерации
модули этого типа применяются редко.
Иногда частицы или комплексы задержи-
ваемых частиц обладают электрическим заря-
дом. Это обстоятельство с успехом использует-
ся для разделения на мембранах с одноимен-
ным поверхностным электростатическим заря-
дом. Так, высокопористые керамические мате-
риалы из волокон чистого кварцевого стекла
обладают естественным самовосстанавливаю-
щимся отрицательным электростатическим
зарядом, появляющимся в результате адсорб-
ции на поверхности микроволокон молекул
воды из воздуха. Частицы, содержащиеся в
продуктах брожения, также обладают отрица-
тельным зарядом и поэтому отталкиваются от
поверхности мембраны. Таким образом, над
поверхностью мембраны формируется под-
вижный слой из задерживаемых частиц, через
который проходит чистый раствор, и в котором
задерживаются частицы - динамическая мем-
брана.
Фильтрование в режиме динамической
мембраны может осуществляться в обычных
фильтрах, например патронных, работающих
периодически по принципу «в тупик». Пер-
спективно использование этого режима в не-
прерывных проточных фильтрах, когда слой
периодически удаляется из канала или непре-
рывно перемещается с малой скоростью вдоль
фильтрующего канала к выходу из него. По-
354
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
добный процесс еще недостаточно исследован,
но уже имеются различные математические
модели для его расчета.
Приближенный расчет мембранных
фильтров осуществляют на основе экспери-
ментально определенного среднего значения
коэффициента фильтрования К как скорости
фильтрования на единицу перепада давлений
для конкретного раствора и конкретной мем-
браны в лабораторных условиях. Затем из
формулы Дарси и осредненной по времени
скорости фильтрования рассчитывают необхо-
димую площадь фильтрующей поверхности А
и размеры фильтра при заданной производи-
тельности:
A = V/(KApx),
где А - площадь фильтрующей поверхности,
м2; V - объем фильтрата, м3; Т - продолжи-
тельность процесса фильтрования, с.
Попытки создать универсальные методы
расчета коэффициента проницаемости мембра-
ны в зависимости от физико-химических
свойств разделяемой системы к желаемым ре-
зультатам пока не привели. Известны матема-
тические модели процессов, учитывающих
конкретные свойства отдельных растворов.
Расчеты на прочность мембранных
фильтров выполняют по методике расчета со-
судов под давлением.
6.3.3. ЦИКЛОНЫ И СКРУББЕРЫ
Циклоны - аппараты для центробежного
разделения дисперсных систем. Они имеют
простую конструкцию, обладают большой
пропускной способностью и несложны в экс-
плуатации. В связи с этим циклоны получили
большое распространение.
В зависимости от вида дисперсионной
среды (газ, жидкость) циклоны подразделяют
на сухие (или просто циклоны) и гидроцикло-
ны. Закономерности разделения газовых и
жидких неоднородных сред в циклонах раз-
личных типов одни и те же, поэтому по конст-
рукции и принципу действия сухие циклоны и
гидроциклоны существенно не отличаются.
Циклоны применяют для улавливания
твердых частиц в газовых потоках вентиляци-
онных и технологических систем. Минималь-
ный размер улавливаемых частиц может коле-
баться от нескольких микрон до нескольких
сантиметров. В вентиляционных системах в
циклонах осаждаются частицы пыли при очи-
стке воздуха помещений. В технологических
системах циклоны используются, например,
для улавливания сыпучих материалов (зерно,
мука и др.) при их пневмотранспортировании,
для отделения частиц продукта от отработан-
ного теплоносителя при сушке сахара, молока,
крахмала и др.
Гидроциклоны применяют для сгущения
и осветления суспензий, разделения (по плот-
ности и размерам) и промывки твердых компо-
нентов суспензий, а также для проведения экс-
тракции, кристаллизации и разделения систем
жидкость - жидкость. Они обладают простой
конструкцией, относительно небольшими раз-
мерами и массой, высокой производительно-
стью, относительно малой занимаемой произ-
водственной площадью, отсутствием подвиж-
ных частей, возможностью обработки очень
плотных суспензий, сравнительно невысокой
стоимостью, возможностью регулирования в
процессе работы.
Гидроциклоны как единичные аппараты
нашли применение в различных отраслях пи-
щевой и мясомолочной промышленности для
выделения костного жира из воды, нормализа-
ции молока по жирности, очистки его от меха-
нических примесей, в производстве казеина,
для удаления органических и минеральных
примесей при выработке растительных масел, в
кукурузокрахмальном производстве - для вы-
деления минеральных примесей из зерна куку-
рузы, зародыша из массы дробленой кукурузы,
разделения крахмалобелковой суспензии и
удаления растворимых веществ из крахмала.
Многоступенчатые гидроциклонные ус-
тановки широко используются в картофеле-
крахмальном производстве для удаления рас-
творимых веществ из крахмальной суспензии,
т.е. для промывания зерен крахмала, а также
для разделения измельченной массы картофеля
на крахмал и побочные продукты.
Общая схема циклона приведена на
рис. 6.46. Циклон имеет корпус, состоящий из
цилиндрической 1 и конической 2 частей. Тан-
генциально к корпусу присоединен подводя-
щий патрубок 3. Кроме того, корпус снабжен
двумя патрубками по оси аппарата. Дисперсная
система поступает в аппарат по подводящему
патрубку 3 и дальше движется кругообразно
вниз в кольцевом зазоре между стенками кор-
пуса и патрубка 4 вывода очищенного газа.
Дисперсионная среда (газ, жидкость)
спиралеобразно движется в сторону понижения
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
355
давления: вниз к входному отверстию 6 пат-
рубка 4 и далее, продолжая вращаться, вверх в
самом патрубке 4 вывода из аппарата. Твердые
частицы в циклоне, увлеченные потоком дис-
персионной среды, также совершают сложное
движение: вращательное - вокруг оси циклона
и поступательное - вниз, параллельно ей и
выводятся через патрубок 5. При различных
плотностях фаз рч -рс >0, где рч - плот-
ность дисперсной фазы, рс - плотность дис-
персионной среды, на твердые частицы будет
действовать центробежная сила, большая, чем
на объем среды, который эта частица занимает.
Вследствие этого частица будет двигаться еще
и радиально: от оси к внутренней поверхности
корпуса циклона.
Если предположить, что циклон работает
в идеальных условиях (ламинарное течение
потока среды в аппарате и частицы в этой сре-
де), то теоретически движение частицы в гори-
зонтальной плоскости будет состоять из ради-
ального (относительного) и вращательного
(переносного) вместе с общим потоком. В этом
случае траектория абсолютного движения час-
тицы будет представлять собой в горизонталь-
ной плоскости спираль (рис. 6.47). При этом
абсолютная скорость движения частицы в го-
ризонтальной плоскости wa будет являться
геометрической суммой переносной скорости
вращающейся среды wn и относительной ра-
диальной скорости осаждения w0 . Кроме того,
под действием силы тяжести частица падает
вниз.
Действительная картина движения потока
и частиц значительно сложнее. Дисперсионная
среда (жидкость, газ) в цилиндрической части
движется не ламинарно, а с завихрениями. В
нижней конической части вдоль осевой линии
поток среды перемещается винтообразно вверх
в направлении, обратном основному направле-
нию потока среды. Эти потоки, сталкиваясь у
входного отверстия выхлопного патрубка 4 с
основным потоком и смешиваясь с ним, созда-
ют сложный профиль скоростей.
Общее выражение для скорости осажде-
ния в циклоне (без учета формы частиц и кон-
центрации дисперсной системы)'.
и>0 = Wn^4/3(<//^)(рч/рс)(1//?), (6.59)
где R - расстояние от частицы до оси враще-
ния, м; d - диаметр частицы, м; - коэффи-
Рис. 6.47. Траектория движения
твердой частицы в циклоне
циент сопротивления среды, зависящий от ре-
жима движения частицы; 18,5/Re^ .
Для переходного режима Re « 500 .
По характеру потока газа циклоны могут
быть:
с тангенциальным входом;
с осевым входом;
вихревыми с дополнительным подводом
газа.
По количеству рабочих элементов цикло-
ны с тангенциальным и осевым входом газа
подразделяются на одиночные, групповые, ба-
тарейные (мультициклоны).
Одиночные и групповые сухие циклоны с
тангенциальным входом газа выполняются:
с углом наклона входного патрубка 11,15
и 24°;
с камерой в виде «улитки» и в виде сбор-
ника;
с цилиндрическим и пирамидальным
бункером.
По способу подачи суспензии в аппарат
гидроциклоны подразделяют на напорные,
открытые и роторные (рис. 6.48). Наиболее
употребительными являются напорные гидро-
356
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Рис. 6.48. Классификация гидроциклонов:
С - вход суспензии; о.п - выход осветленного продукта;
с.п - выход сгущенного продукта
5
Рис. 6.49. Схема сухого циклона
циклоны, в которых суспензия вводится в ап-
парат под избыточным давлением. К напорным
гидроциклонам относятся:
бинарные (сдвоенные) гидроциклоны с
общим входным патрубком;
многопродуктные гидроциклоны с двумя
или несколькими концентрическими патрубка-
ми для вывода жидкого схода;
прямоточные;
мультигидроциклоны (мультициклоны), у
которых гидроциклоны малого диаметра (мик-
роциклоны), применяемые для разделения сус-
пензий с мелкими частицами (от нескольких
микрон), объединены в батареи для увеличения
производительности.
Циклоны сухие. Схема циклона приведена
на рис. 6.49. Запыленный воздух входит в ци-
клон через патрубок 1 по касательной к корпу-
су, затем движется по спирали в кольцевом
пространстве между цилиндрической частью
корпуса 2 и выпускным патрубком 3, а затем в
конической части 4 корпуса. Пыль, отделяемая
от воздуха в основном в конической части кор-
пуса циклона, поступает в выпускной патру-
бок, через камеру отвода 5 выходит из аппара-
та, осаждается в пылеосадочном бункере б и
через шлюзовый затвор 7 удаляется из бункера.
Широкое распространение получили ци-
клоны НИИОГаза типа ЦН-11, ЦН-15
(рис. 6.50, а): цифры (11, 15) обозначают угол
установки патрубка для подвода воздуха. В
зависимости от требуемой производительности
циклоны устанавливают одиночно или компо-
нуют в батарею по два, четыре, шесть, восемь
(не более) циклонов (БЦ, а при установке шлю-
зового затвора БЦШ, в зависимости от числа
циклонов, входящих в батарею, 2БЦ, 4БЦ,
4БЦШ). Гидравлическое сопротивление со-
ставляет 700... 1200 Па. Эффективность очист-
ки достигает 97...99 %.
Циклоны типа УЦ (рис. 6.50, б) с диамет-
ром корпуса до 850 мм применяются для оди-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
357
ночной и батарейной установок. Имеют разви-
тую коническую часть, снабжены спирально-
плоской входной улиткой, что несколько по-
вышает их эффективность (степень очистки до
99 %), однако обладают большим гидравличе-
ским сопротивлением (до 2000...2200 Па).
Циклон типа УЦМ (рис. 6.50, в) отлича-
ется от циклона типа УЦ наличием спирально-
винтовой улитки, что позволило снизить гид-
равлическое сопротивление.
Циклон типа ЦОЛ (ЛИОТ) (рис. 6.50, г) -
один из первых отечественных циклонов. Для
аппарата характерна удлиненная цилиндриче-
ская часть и значительная глубина выпускной
трубы. В конической части аппарата установ-
лено устройство для уменьшения подсоса воз-
духа. Применяются циклоны ЦОЛ № 1 и № 18
производительностью 1000... 18000 м3/ч.
У циклонов типа СПОТ (рис. 6.50, д)
полностью отсутствует цилиндрическая часть.
Выпускная труба опущена в конический кор-
пус. Входной патрубок имеет треугольное се-
чение. Эффективность циклонов типа СИОТ
близка к эффективности циклонов типа ЦП.
Циклоны типа СИОТ целесообразно устанав-
ливать при ограничениях по высоте (высота
циклона составляет 70 % высоты ЦП-11 при
прочих равных условиях, но диаметр при тех
же условиях на 62% больше диаметра ЦН-11).
В зависимости от размера (массы) частиц,
находящихся в газовом потоке, применяют
циклоны разных диаметров цилиндрической
части корпуса: для более крупных (тяжелых)
частиц - циклоны с большим диаметром ци-
линдрической части. Большему диаметру ци-
клона соответствуют большие диаметры пат-
рубков для вывода очищенного газа и твердых
частиц.
Единого критерия для выбора оптималь-
ной формы циклона не существует, однако в
конструкциях современных циклонов проявля-
ется тенденция развития конусной части. На
связь между геометрической формой циклонов
и их эффективностью оказывает влияние слож-
ная аэродинамика течений в этих аппаратах.
Циклоны снабжаются герметичными
бункерами для сбора пыли, которые должны
иметь достаточно большие размеры. Нельзя
допускать чрезмерного заполнения бункера
пылью. Не рекомендуется применять открытые
промежуточные устройства между циклоном и
бункером для исключения подсасывания газа в
корпус аппарата.
Разрежение в зоне пылевыпускного от-
верстия тем значительнее, чем больше нагрузка
Рис, 6.50. Циклоны типов:
а - ЦН; б - УЦ; в - УЦМ; г - ЛИОТ; д - СИОТ
Рис. 6.51. Эпюры тангенциальной (а) и аксиальной
(б) скоростей в циклоне и эффективность улавлива-
ния пыли в различных его зонах (в)
на циклоны. При небольших скоростях или при
установке циклона в линии нагнетания можно
добиться повышения давления в зоне вывода
твердых частиц и избежать таким образом не-
обходимости в устройстве герметичных бунке-
ров.
На рис. 6.51 представлены эпюры танген-
циальной и аксиальной скоростей газового по-
тока в циклоне. Из рис. 6.51, а видно, что мак-
симальные значения тангенциальных скоростей
358
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
имеют место ближе к оси циклона. При этом
чем ниже опускается газовый поток, тем ближе
к центру смещается максимальная тангенци-
альная скорость. Но в то же время (рис. 6.51, б)
в центре циклона имеются и максимальные
аксиальные скорости, что уменьшает степень
улавливания пыли; ее частички увлекаются
общим потоком и выбрасываются в выводную
трубу, что снижает эффект разделения. Вслед-
ствие такого сложного взаимодействия потоков
эффективность улавливания (эффект разделе-
ния) в различных зонах аппарата неодинакова
(рис. 6.51, в).
Под эффективностью работы - эффек-
том разделения понимают степень очистки
газа от твердых частиц, которая определяется
отношением содержания твердых частиц в
очищенном газе к их содержанию в поступаю-
щем для очистки газе. Эффект разделения в
циклоне зависит от многих факторов: физиче-
ских свойств газовой системы (плотностей газа
и частиц рс и рч , размеров частиц J, вязко-
сти среды Т|); конструкции и размеров цикло-
на; скорости движения газа wr .
На рис. 6.52 показана схема циркуляции в
циклонном аппарате. В верхней части аппарата
вторичные восходящие токи газа сливаются с
вихрем, образующимся при тангенциальном
втекании струи в циклон. Образование вихря
объясняется тем, что по мере удаления от
Рис. 6.52. Схема
вторичных токов
в циклоне
оси вращения линейная
скорость газа уменьша-
ется, вызывая возраста-
ние давления. Наиболь-
шего значения оно
достигает в слоях возду-
ха, прилегающих к
внешней границе пото-
ка. Под действием этого
давления воздух перете-
кает вдоль внешних гра-
ниц в сторону низкого
давления, образуя вто-
ричный вихрь. Верхняя
часть вторичного вихря
циклона устремляется по
кратчайшему пути к
устью отводной трубы, а
нижняя, распространяясь
вдоль образующих ци-
клона, формирует восхо-
дящий поток циклона.
Большое влияние
на снижение эффектив-
ности циклонов оказывают вторичные токи.
Для ослабления влияния этого течения увели-
чивают глубину погружения трубы отвода
очищенного газа. При этом наблюдается по-
вышение эффективности, связанное с умень-
шением выноса вторичным течением пыли, не
успевающей при меньшем погружении за ко-
роткое время формирования вращающегося
потока перейти из слоев воздуха, опускающих-
ся вдоль этой трубы, в более удаленные слои.
При дальнейшем погружении эффективность
вновь падает. Для каждой схемы циклона су-
ществует оптимальная глубина ее погружения.
Значительное влияние на эффективность
циклонов оказывает сток воздуха к центру ци-
клонного течения, наблюдающийся по всей
высоте циклона, особенно в конической части.
Радиальные составляющие скорости препятст-
вуют сепарационному движению частиц к пе-
риферии, определяя крупность частиц, которые
будут ими вынесены из циклона.
Увеличение высоты конической части
способствует большей равномерности скоро-
стей потока. Существенное влияние на эффек-
тивность циклонов оказывает также радиаль-
ный сток в самом нижнем сечении циклона -
на поверхности уже отложившейся пыли. Воз-
никающее здесь донное течение размывает
отложившуюся пыль и перемещает ее к оси.
Взмученная пыль подхватывается осевым по-
током и выносится из циклона.
Процесс, происходящий в циклонных ап-
паратах, можно представить следующим обра-
зом. При входе в циклон частицы пыли по
инерции вначале движутся по прямолинейным
траекториям. Затем увлекающее воздействие
вращающегося газового потока искривляет их
траекторию, причем тем сильнее, чем больше
расстояние от места входа частиц до наружной
стенки циклона. Начальный участок движения
характеризуется энергичной сепарацией наи-
более крупных частиц из периферийной части
потока. При дальнейшем движении частиц
тангенциальная составляющая их скорости
приближается к скорости потока газа. Здесь
сепарация частиц определяется непрерывным
изменением вектора тангенциальной состав-
ляющей скорости газа и вследствие этого на-
личием радиальной составляющей скорости
частицы относительно среды. При достаточной
продолжительности движения из потока могли
бы быть выделены частицы весьма малого раз-
мера. Однако этому препятствует радиальный
сток, который увлекает мелкие частицы в на-
правлении восходящего потока. Частицы, для
которых увлекающая сила стока уравновеши-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
359
вается силой инерции, движутся на стационар-
ных орбитах, непрерывно подвергаясь влия-
нию турбулентных пульсаций потока.
Вероятность выноса этих частиц с газом
или осаждения их определяется статистиче-
скими закономерностями. Частицы, вынесен-
ные в восходящий поток, покидают циклон с
осевым течением.
В результате сепарационного процесса
периферийные слои циклонного течения обо-
гащаются пылевыми частицами. Чем больше
концентрация частиц в очищаемом газе, тем
выше вероятность их столкновений. В резуль-
тате этих столкновений скорость частиц пада-
ет, они оседают на внутренней стенке циклона
и спускаются в пылесборник. С повышением
концентрации твердых частиц вследствие уве-
личения массы периферийных слоев скорость
их оседания увеличивается. Таким образом, с
повышением начальной концентрации эффек-
тивность сепарации возрастает.
Степень очистки газа в циклоне (в %)
Г) = W1 100, (6.60)
т\
где , m2 - масса твердых частиц соответ-
ственно исходного и очищенного продукта в
единице объема, кг.
Степень очистки газа в циклонах зависит
от величины фактора разделения, определяе-
мого по формуле:
где v - окружная скорость, м/с; V = в)/г ; г -
радиус цилиндрической поверхности осажде-
ния, м; со - угловая скорость, с'1.
Для повышения степени очистки воздуха
необходимо или увеличение скорости подачи
продукта, или уменьшение радиуса его враще-
ния. Повышение скорости подачи приводит к
росту турбулентности потока газа внутри ап-
парата, что ухудшает степень очистки. Поэто-
му для очистки больших объемов газа вместо
одного циклона большого диаметра применяют
несколько циклонов меньшего диаметра, объе-
диненных общими камерами подачи исходного
и сбора конечного продуктов. Как уже отмеча-
лось, такие циклоны называют батарейными
или мультициклонами.
В каждом конкретном случае число и ти-
поразмер циклонов подбирают по специаль-
ным нормалям с тем, чтобы обеспечить тре-
буемую производительность.
К недостаткам циклонов следует отнести
невысокую степень улавливания частиц разме-
ром менее 10 мкм. Для улавливания более мел-
ких частиц необходимо применение циклонов
в сочетании с другими аппаратами, например, с
рукавными фильтрами.
Общее сопротивление течению газа че-
рез циклон складывается из потерь:
давления на входе в циклон, вызванных
расширением и закручиванием газа;
кинетической энергии при неразграни-
ченном вращательном движении воздуха в
нисходящем и восходящем потоках;
на трение о стенки циклона и на вывод
воздуха из циклона.
Последние различаются в зависимости от
того, выходит ли поток из циклона в атмосферу
или поступает в сеть. При выбросе воздуха в
атмосферу теряется вся его кинетическая энер-
гия. При присоединении циклона к сети, если
оно осуществляется через прямой участок,
потери связаны только с раскручиванием вра-
щающегося потока, выходящего из циклона. С
целью уменьшения этих потерь прибегают к
установке на выхлопных трубах улиточных
раскручивателей, что позволяет одновременно
осуществлять поворот потока на 90°. К хоро-
шим результатам приводит снижение скорости
выброса путем установки диффузора, в частно-
сти кольцевого.
Практически сопротивление оценивается
коэффициентом местного сопротивления, зави-
сящим от диаметра циклона и числа Re, кото-
рые определяются экспериментально.
Испытания циклонов показывают нали-
чие связи между их эффективностью и сопро-
тивлением, а именно: эффективные циклоны
обладают большим сопротивлением.
Методика расчета сухого циклона. Исход-
ные данные для расчета циклона НИИОГаз типа ЦН:
1) характеристика запыленного газа - произво-
дительность, Ис , м3/с; температура, /, °C; плотность
р , кг/м3; давление на входе Р, Па;
2) характеристика пыли - концентрация С,
кг/м3; плотность р , кг/м3; наименьший диаметр
частиц d4 , м.
Принимается скорость газа при входе в циклон
wBX , м/с, с учетом рекомендуемого интервала ее
значений (18...20 м/с).
360
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Рис. 6.53. Расчетная схема циклона
(D - диаметр циклона; b - ширина входного
патрубка; h - высота вводного патрубка;
Di - диаметр отводного патрубка;
hi - высота цилиндрической части;
й2 - высота конусной части)
Площадь сечения входного патрубка /, м2
(рис. 6.53):
Ширина входного патрубка Ь, м? при f -bh =
2 I
= b 3,14 составит b = 0,56^ f, высота Л = 3,14b.
Основные соотношения размеров циклона
НИИОГаз типа ЦН приведены ниже.
Ширина входного патрубка b.... b 0,21D
Высота входного патрубка Л.... 3,14b 0,66D
Диаметр циклона D............... 4,15b D
Диаметр патрубка вывода
очищенного газа Dj............ 2 75b 0 58D
Высота цилиндрической части Л] . 7 ।
Высота конусной части Л2...... 95^ 2D
Диаметр циклона D, м определяют ориентиро-
вочно по табличному соотношению D = 4,75b.
Внутренний диаметр трубы вывода очищенно-
го газа (скорость газа в трубе принимают в пределах
рекомендуемого интервала ее значений 4. ..6 м/с)
dT = 2,75b.
Наружный диаметр патрубка отвода очищен-
ного газа
О, =dT + 2S ,
где S - толщина стенки патрубка очищенного газа, м.
Окружная скорость газа в циклоне иг , м/с,
должна быть приблизительно в 1,4 раза меньше wBX .
При минимальном размере улавливаемых час-
тиц d4 < 10 4 м предполагаем, что осаждение их
подчиняется закону Стокса. Поэтому с учетом ок-
ружной скорости газа в циклоне иг скорость осаж-
дения woc, м/с,
(Рт — Pep)wr
И’°С = 9vcpPcpP
где рср - плотность газа при рабочих условиях,
кг/м3; рт - плотность улавливаемой частицы, кг/м3,
Vcp - кинематическая вязкость воздуха, м2/с;
273р
Рср “Р0 (273 + /)рн ’
где рн - давление воздуха при нормальных услови-
ях, Па; pg - плотность воздуха при нормальных
условиях, кг/м3.
Коэффициент кинематической вязкости при
температуре Г,°C,
V, =Ц,/Рср •
где |1г - динамическая вязкость воздуха при темпе-
ратуре t, Па с.
Далее проводят проверку правильности при-
менения формулы:
Re = woc<//v<.p <0.2.
Проверяется также правильность выбора диа-
метра циклона:
l-10woc/«r
Затем уточняются конструктивные размеры
циклона.
Гидравлическое сопротивление рассчитанного
циклона
АРц — ^ВхРг •
При отсутствии данных о коэффициенте сопро-
тивления циклона, ориентировочно находится как
сумма сопротивлений на участке ввода газа АБ, дви-
жения газа по отводной трубе ВС и выхода СЕ:
На участке АВ ^| = 2...7; на участке ВС
^2=^/^т’где = на участке СЕ
^3 =0,1 при изменении сечения потока и =1,5
при наличии «зонта».
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
361
Далее устанавливается расчетный минималь-
ный размер частиц t/min , улавливаемых в циклоне.
Наибольшая частица, скорость осаждения ко-
торой может быть рассчитана по формуле Стокса,
должна иметь диаметр
, 0,2ц
ат =--------.
^осРср
Откуда скорость осаждения, м/с,
С другой стороны, скорость осаждения
(Рт — Pep )wr
woc =-------------------------•
9vcpPcpD
Приравнивая оба выражения, находим
0,2ц <2(рт ~Рср)цг2
^тРср 9vcppcpZ)
Откуда минимальный диаметр улавливаемых
частиц, м,
0,2ц9усрРсрР
Рср(рт ~ Рср)мг
При расчете батарейного циклона принимается
Ад/(Рс#) = 55---75 м
На основании данных табл. 6.13 выбираются
соответствующие циклонные элементы.
Определим условную скорость газа в цилинд-
рической части циклонного элемента, м/с,
VpcpC
6.13. Техническая характеристика
батарейного циклона БЦ
Диаметр элемента D, м Наибольшая допускаемая запыленность газа, г/м3 Степень улавливания пыли (%) при диаметре частиц (мкм) при угле наклона лопастей
5 10 15 25° 30°
250 75 72 84 93 90 65
150 35 78 88 95 90 65
100 115 82 91 96 90 65
где - коэффициент сопротивления завихряющего
элемента циклона при соответствующем угле накло-
на лопастей.
Действительное гидравлическое сопротивле-
ние батарейного циклона
АРц — О^^И’усл РСр •
Потери давления не должны превышать задан-
ного значения. Проверяется отношение Ар/рср.
Расход газа на один элемент батарейного ци-
клона, м3/с,
С, = 0,785Р2и,усл .
Требуемое число элементов п = QlQ{ •
Располагаем элементы в несколько рядов по-
следовательно по соответствующему числу элемен-
тов в каждом ряду.
Площадь сечения элемента, м2,
F = 7t£>2/4.
Приняв скорость газа в выхлопной трубе ци-
клона wT , определим внутренний диаметр трубы, м,
у
После распределения элементов батарейного
циклона параллельными рядами в прямоугольном
сечении рабочего пространства аппарата находим
основные конструктивные размеры рабочей камеры.
Ширина рабочей камеры аппарата, м,
Вк = Dn\ +(0,03...0,05)(и] +1),
где - число элементов по ширине.
Длина рабочей камеры аппарата, м,
L = Dn2 +(0,03...0,05)(п2 +1),
где и2 “ число элементов по длине.
Приняв среднюю скорость газа в живом сече-
нии первого ряда wBX , определяем высоту входа, м,
%х (flK-«lOl)
Гидроциклон - аппарат, состоящий из
цилиндрической части 1 (рис. 6.54), к которой
с одной стороны примыкает широким основа-
нием коническая часть 7, а с другой - крепится
камера 3, отделенная перегородкой 4 с патруб-
362
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Рис. 6.54. Гидроциклон:
I- исходный продукт; 11- верхний сход;
111 - нижний сход
ками 2 и 6 для отвода жидкого схода. В верши-
не конуса закреплены сменные насадки 8.
Обычно гидроциклоны устанавливают
вертикально, вершиной конуса вниз, но воз-
можна его установка горизонтально или на-
клонно.
Исходная смесь поступает под давлением
через входной патрубок 5 тангенциально в
верхнюю часть цилиндрической камеры и при-
обретает круговое движение. При этом возни-
кают центробежные силы, в сотни раз превы-
шающие силу тяжести, под действием которой
более тяжелая фракция движется от оси гидро-
циклона к его стенкам по спиральной траекто-
рии вниз и через нижнюю насадку выбрасыва-
ется из гидроциклона. Более легкая фракция
движется во внутреннем спиральном потоке,
направленном вверх, и удаляется из гидроци-
клона через патрубок для отвода жидкого схода.
Характер движения жидкости в гидроци-
клоне определяется скоростью жидкости в
тангенциально расположенном питающем пат-
рубке. На взвешенные частицы действуют дос-
таточно большие тангенциальные силы, под-
держивающие их в непрерывном относитель-
ном движении.
Процесс разделения суспензий в гидро-
циклоне аналогичен процессу разделения газов
в аэроциклоне.
Центробежная сила
mv2 G(ti2r G п2п2 Grn2
Р =-----=--------= — =------г =------,
г g g 900 900
где (О = лл/30 ; G - вес частицы, Н; п - часто-
та вращения частицы вокруг оси гидроциклона,
с'1; г - радиус цилиндрической части гидроци-
клона, м; п « O,7O5V77/r; Н - величина на-
пора подаваемой в гидроциклон жидкости,
м вод.ст.
В промышленности, в основном, приме-
няются гидроциклоны малого диаметра
(0,01...0,06 м) с большой частотой вращения,
например, в гидроциклоне с d = 0,02 м частота
вращения при давлении около 0,40 МПа дости-
гает 400 с'1.
Соотношением центробежной силы и си-
лы сопротивления среды определяется направ-
ление движения частиц в гидроциклоне. Если
центробежная сила больше силы сопротивле-
ния среды, то частицы отбрасываются к стенке
гидроциклона, вместе с внешним потоком пе-
ремещаются вниз и выводятся через насадку
вывода сгущенного схода. При преобладании
действия радиального потока частицы попадут
в зону внутреннего потока и удалятся через
патрубок вывода жидкого схода. В случае ра-
венства указанных сил, действующих на час-
тицу, она будет продолжительное время цир-
кулировать в гидроциклоне.
Известны несколько типов гидроцикло-
нов. Основой при рассмотрении конструктив-
ных особенностей гидроциклона обычно слу-
жит назначение аппарата и способ сообщения
суспензии вращательного движения. В зависи-
мости от назначения гидроциклонов конструи-
руют их геометрию, принимают определенные
соотношения размеров и режим работы.
Общие методы расчета гидроциклонов
еще не отработаны, поэтому в каждом кон-
кретном случае наряду с предварительными
расчетами следует проводить эксперименталь-
ную отработку процесса, что позволяет вы-
брать оптимальную геометрию гидроциклона,
обеспечивающую наибольший эффект разде-
ления.
В общем случае производительность гид-
роциклона, м3/с, обычной конструкции может
быть определена по формуле:
Q = 3,4^Kdo/H ,
(6.62)
где К - коэффициент расхода патрубка подачи
продукта; d$ - эквивалентный диаметр вход-
ного патрубка (диаметр круга, равновеликого
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
363
по площади фигуре патрубка), м; Н - давление
суспензии на входе в гидроциклон, м вод.ст.
Коэффициент К зависит от относитель-
ных диаметров:
[(1,45-3,72А2)Д1 + 1,35А2-0,17]
К 7 *
27,ЗДо-51,8До-2,56
(6.63)
где A0=<70/D, bx=dx/D, \2=d2/D-,
dQ,d[,d2 - диаметры отверстий соответст-
венно входного, жидкого и сгущенного сходов,
мм; D - диаметр цилиндрической части гидро-
циклона, мм, определяется по эмпирической
формуле D - yfd~^ ; d4 - средний размер час-
тиц суспензии, мкм.
Расход мощности на работу гидроцикло-
на определяется по подаче и напору насосов.
Путем изменения давления подачи про-
дукта в гидроциклон и его конструктивных
размеров изменяют скорости движения про-
дукта внутри аппарата (тангенциальную, ради-
альную, осевую), что сказывается на эффек-
тивности его работы. Поскольку точного мате-
матического описания влияния движения пото-
ков на качество разделения до сих пор нет, то
предложен способ опосредованного определе-
ния влияния изменения параметров гидроци-
клона на качество его работы без расчета ско-
ростей. Этот способ основан на оценке качест-
ва работы гидроциклона с помощью коэффици-
ентов ф и 6, которые вычисляются по качест-
венным показателям конечных продуктов, оп-
ределяемых инструментально. Коэффициент ф
показывает, какая часть поступающего количе-
ства сухих веществ (выделяемого) продукта
попадает в сгущенный сход:
Ф=^г//Зо-
где 7^2 “ количество сухих веществ выделяе-
мого продукта в сгущенном сходе в единицу
времени, кг; /д - количество сухих веществ в
поступающем в гидроциклон продукте, в еди-
ницу времени, кг.
Коэффициент 8 показывает, какая часть
всего продукта, поступающего в гидроциклон,
попадает в сгущенный сход:
8 = пщт2,
где ni2 - количество всего продукта в сгущен-
ном сходе, кг ; - количество исходного
продукта, кг.
Эти же коэффициенты можно определить
через концентрацию продуктов в сходах;
с а-b а-Ь с е ,
О =-----; ф =-----— ф = ос/а,
с-b с-dа
где концентрация в исходном продукте а, в
жидком сходе b и в сгущенном сходе с (%).
Таким образом, оценивая работу гидро-
циклона, необходимо стремиться к получению
максимально возможного значения коэффици-
ента ф при минимальном коэффициенте 8 .
Другие зависимости, необходимые для
определения параметров циклона, приведены
ниже.
Во многих случаях не удается достичь
нужной степени разделения при обработке
суспензии одноразово, в одну ступень. Разде-
ление таких суспензий, особенно тонкодис-
персных, возможно только в установках мно-
гократного действия - многоступенчатых
мультициклонных установках. Их технологи-
ческие схемы имеют разветвленные и сложные
продуктовые связи между мультициклонами,
что затрудняет их анализ и оценку. Однако все
они содержат отдельные типичные группы,
компонуя которые в определенной последова-
тельности, достигают требуемого эффекта.
Эффективность таких групп оценивается ко-
эффициентами 8 и ф по балансовым форму-
лам составленным для каждой группы.
На рис. 6.55 приведены шесть наиболее
целесообразных схем соединения мультици-
клонов в группы по три мультициклона:
1) следует использовать в том случае, ко-
гда жидкий сход в дальнейшем не требует до-
полнительной обработки, а непосредственно
используется в ходе технологического процесса;
2) характеризуется высокой концентраци-
ей сгущенного схода, однако мультициклоны
загружены очень неравномерно. Отношение
максимальной загрузки мультициклонов к ми-
нимальной равно четырем, что вызывает необ-
ходимость установки насосов разной подачи;
3) в части эффективности сгущения не-
сколько уступает схеме 2, но выгодно отлича-
ется от нее значительно меньшей неравномер-
ностью загрузки мультициклонов;
364
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
4) отличается самым высоким сгущени-
ем - более чем в 10 раз и самой высокой не-
равномерностью загрузки мультициклонов. Ее
целесообразно применять только в тех случаях,
когда возникает необходимость достижения
высокой степени сгущения исходного продукта;
5) характеризуется самым малым содер-
жанием сухих веществ в жидком сходе при
достаточно высоком сгущении исходного про-
дукта и неравномерности загрузки мультици-
клонов. Она рекомендуется для тех случаев,
когда низкое содержание сухих веществ в жид-
ком сходе - главный показатель, требующийся
от установки.
6) противоточная по жидкому сходу,
применяется при необходимости частой заме-
ны жидкой фазы, т.е. при промывании сухих
веществ суспензии.
В этих схемах для группы в целом коэф-
фициенты 8q и срд можно определить по сле-
дующим формулам.
Рис. 6.55. Схемы соединения гидроциклонов
№ группы... 1 2 3 4 5 6
8п 8 + 8* 3-82 82 282 -83 82 8-8(1 -8)2 83
°о • • 1 + 282 -28 1-28 + 282 1 + 82 -8 1 + 83 -8 8 + С1-8)3 1-28 + 282
Ф + ф3 - <р2 Ф2 2ф2 -ф3 Ф2 ф-ф(1-ф)2 Ф3
Фо - • • • 1 + 2ф2 -2ср 1 - 2ф + 2ф2 2 1 + ф -ф 1 + ф3 -ф Ф + (1-ф)3 1 -2ф + 2ф2
Коэффициенты 5 • и ср являются соот-
ветствующими коэффициентами отдельного
гидроциклона, входящего в группу.
Если у каждого гидроциклона в группе
будут разные коэффициенты 5 и ф, форму-
лы в общем виде будут иметь более сложный
вид.
Однако для сравнительных расчетов воз-
можно принять равные коэффициенты.
Коэффициенты <р0, 80 используют для
определения результатов работы группы гид-
роциклонов.
Выбор схемы определяется поставлен-
ными задачами. Например, если отдельный
гидроциклон, входящий в группу, характеризу-
ется коэффициентами 8 = 0,25 и ср = 0,8, то
коэффициенты будут следующие.
№
группы..... 1 2 3 4 5 6
80 (при
3 = 25 ) . .. 0,325 0,1 0,134 0,078 0,163 0,025
Фо <ПРИ
Ф = 0,8)... 0,99 0,94 0,91 0,9 0,97 0,75
Применение различных схем в одном ап-
парате часто используется в промышленности.
На рис. 6.56 приведена технологическая схема
гидроциклонной установки типа ГУ, применяе-
мой в картофелекрахмальном производстве для
выделения картофельного крахмала непосредст-
венно из измельченного картофеля. Здесь исполь-
зованы в различных сочетаниях схемы 1, 3 и 6.
Методика расчета гидроциклона. Исходные
данные для расчета гидроциклона:
производительность по исходному продукту Е,
м3/ч;
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
365
Рис. 6.56. Технологическая схема гидроциклонной установки типа ГУ
плотность исходного продукта р, кг/м3;
давление на входе р, Па;
минимальный диаметр частиц, подлежащих
осаждению d4 , мкм.
Диаметр гидроциклона (рис. 6.57), мм,
0 = 3^.
Диаметр питающего патрубка
2dn + dR = 0,5D,
где dR - диаметр отверстия жидкого схода, мм.
Отсюда
rfn=(0,5D-t/B)/2.
Рекомендуемое оптимальное отношение
^в/^п = 2 . Тогда dR = D/4 и dn = D/8.
Диаметр отверстия для сгущенного схода мо-
жет быть найден из соотношения dn/dR —
= 0,4...1,0.
Производительность одного элемента гидроци-
клона Qi определяется по формулам (6.62) и (6.63).
Высоту гидроциклона /гц, м, находят из вы-
ражения:
tga/2 = 0,5£>/йц.
Высоту центрального завихренного потока жид-
кости устанавливают в пределах /1В =(О,5...О,66)ЛВЦ.
Рис. 6.57. Расчетная схема
элемента гидроциклона
Мощность, потребляемая одним элементом
гидроциклона (микроциклоном), кВт,
102г|
где Н - напор жидкости в питающем патрубке,
м вод. ст.; Г| - КПД насоса.
Для обеспечения заданной производительно-
сти Г, м3/с, по исходной суспензии необходимо уста-
новить п микроциклонов:
п = К/И.
366
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Общая мощность 7Уобщ , кВт, потребляемая
гидроциклоном из п микроциклонов,
^общ — .
Скруббер - аппарат для мокрого обеспы-
ливания газов. Скрубберы обеспечивают высо-
кую степень очистки газов (до 99 %). Наи-
большее распространение они получили в
двухстадийных системах обеспыливания, в
которых первой стадией является сухая очист-
ка, а второй - мокрая. По такой схеме скруббе-
ры используются в мясной промышленности
при сушке кормовых и технических фабрика-
тов, кости-паренки; в крахмалопаточной про-
мышленности - при сушке крахмала, глюкозы,
кормов. Обладая высокой эффективностью
пылеулавливания, скрубберы отличаются про-
стотой конструкции, отсутствием подвижных
частей, что делает возможным их изготовление
непосредственно на предприятиях-потребите-
лях.
Мокрая очистка газа от пыли заключается
в поглощении хорошо смачиваемых частиц
запыленного газа. Если силы взаимодействия
молекул жидкости с молекулами твердого тела
превышают силы взаимодействия молекул
жидкости между собой, то капля жидкости
растекается по твердой поверхности и смачи-
вает ее. Растекание происходит до тех пор,
пока силы межмолекулярного взаимодействия
не будут уравновешены силами поверхностно-
го натяжения жидкости.
Равновесное состояние жидкости на по-
верхности твердого тела определяется значе-
нием краевого угла капли, образованного по-
верхностью ее периферии и твердой поверхно-
стью. Чем меньше краевой угол, тем лучше
жидкость смачивает поверхность твердого тела
и тем эффективнее мокрое обеспыливание.
Объясняется это тем, что плохо смачиваемые
частицы остаются на поверхности капли, по-
крывая ее как бы твердой пленкой, от которой
Ж 2
Г
1
Рис. 6.58. Полый скруббер
отражаются остальные частицы. Однако при
небольшой концентрации пыли в газе или бы-
строй смене жидкой пленки отличие в улавли-
вании частиц, обладающих различной способ-
ностью смачиваться с водой, оказывается
весьма незначительным.
Скрубберы подразделяются на следую-
щие основные группы полые, насадочные,
центробежные, ударно-инерционные, пенные,
турбулентные (Вентури). Однако необходимо
отметить, что из-за многообразия типов и кон-
струкций скрубберов, всевозможных сочета-
ний форм аппаратов и механизмов осаждения
частиц приведенная классификация весьма
условна.
При выборе оптимального варианта очи-
стной установки в каждом конкретном случае
необходимо провести сравнительную оценку
ожидаемых степеней очистки. Значительное
число различных механизмов осаждения, спо-
собствующих улавливанию взвешенных час-
тиц, а также разнообразие форм гидродинами-
ческого взаимодействия газов и жидкости в
мокрых пылеуловителях пока не позволяет
разработать точный аналитический метод рас-
чета их эффективности. Поэтому на практике
нашли применение несколько приближенных
методов расчета.
В корпусе 1 полого скруббера круглого
или прямоугольного сечения запыленный газ
движется снизу вверх, поглощающаяся жид-
кость Ж распыляется форсунками 2 (рис. 6.58).
При этом все сечение скруббера перекрывается
распыляемой жидкостью.
Несмотря на ряд несомненных досто-
инств полого скруббера (простота конструк-
ции, малая металлоемкость, низкое гидравли-
ческое сопротивление и возможность работы с
загрязненными средами) он нашел довольно
ограниченное применение. Это обусловлено
тем, что во избежание уноса распыленной
жидкости с газом в нем необходимо поддержи-
вать низкие линейные скорости газа (менее
1,0... 1,5 м/с).
В скруббере с насадками улучшен кон-
такт между газом и жидкостью. Принципиаль-
ная схема такого скруббера представлена на
рис. 6.59. В качестве насадок используют коль-
цевые и хордовые, а также кусковой материал
(кокс, гравий). Насадка помещается на под-
держивающей решетке, имеющей отверстия
такого размера, чтобы тела, составляющие
насадку, не проваливались.
Газ Г поступает в корпус скруббера под
решетку 2 и проходит через слой насадки 3.
Жидкость Ж при помощи разбрызгивающих
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
367
приспособлений подается сверху и стекает
через слой насадки, соприкасаясь с подни-
мающимся газом. Для эффективной работы
скруббера жидкость равномерно распределяет-
ся по всему его сечению с помощью распреде-
лительного устройства 4.
Насадки характеризуются следующими
показателями:
удельной поверхностью с, м2/м3, пока-
зывающей, какая площадь поверхности насад-
ки заполняет 1 м3 пространства;
свободным объемом Ис, м3/м3, показы-
вающим, какой объем остается незаполненным
в 1 м3 пространства, заполненного насадкой;
массой т 1 м3 насадки, кг/м3;
числом элементов N насадки в 1 м3.
В табл. 6.14 приведена характеристика
насадок.
При противоточном движении газа и
жидкости в насадочных скрубберах в зависи-
мости от количества орошающей жидкости,
приходящейся на единицу площади поперечно-
го сечения скруббера (плотность орошения), и
от скорости газа наблюдаются четыре режима
движения: пленочный, промежуточный, турбу-
лентный и эмульгационный. Наиболее эффек-
тивным является режим эмульгации, при кото-
ром происходит чрезвычайно интенсивное
перемешивание фаз. При этом фазы непрерыв-
но инверсируют, меняясь ролями.
В.В. Кафаров предложил уравнение для
нахождения скорости газа, при которой возни-
кает инверсия:
Рис. 6.59. Насадочный скруббер
lo w2 СТ Рг „0,16
1g И'()----------Г]ж
I Рж
(6.64)
где А - коэффициент, определяемый опытным
путем; m’q - скорость газа, м/с; рг, рж -
плотность соответственно газа и жидкости,
кг/м3; Г|ж - динамическая вязкость жидкости,
Па с; g - плотность жидкой фазы на единицу
площади поперечного сечения, кг/(м2 ч); G -
6.14. Характеристика насадок
• Вид насадки Размеры элемента насадки, мм 8, м2/м3 Кс, м3/м3 т, кг/м3 N
15х 15x2 330 0,70 690 250000
Керамические кольца 25 х 25 х 3 204 0,74 532 53200
35 х 35 х 4 140 0,78 505 20200
50 х 50 х 5 85 0,785 530 6000
Стальные кольца 35 x 35 x4 147 0,83 - 19000
50 х 50 х 1 НО 0,95 430 6000
Фарфоровые кольца 8 х 8 х 1,5 570 0,64 600 14650000
Кокс кусковой 42,6 77 0,56 455 14000
24,4 120 0,32 500 64800
Хордовая насадка деревянная 10 х 100 х 10 100 0,55 210 -
(толщина рейки х высота х 10 х 100x20 65 0,68 145 -
расстояние между рейками) 10 х 100x30 48 0,77 НО -
368
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Рис. 6.60. Центробежный скруббер СИОТ
(тип 1)
плотность потока газа, кг/(м2 ч); g - ускорение
свободного падения, м/с2.
Из уравнения (6.64) можно определить
условия, при которых имеют место данные
режимы и точки перехода. Отношения w/wq
для различных режимов приведены ниже.
Режим:
турбулентный. . . 1...0,85
промежуточный............ 0,85...0,45
пленочный................ 0,45
эмульгационный, менее.... 0,45
Рис. 6.61. Центробежный скруббер ВТИ
Подсчитав vvg и зная ю, можно легко оп-
ределить режим, в котором работает насадоч-
ная колонна.
К центробежным скрубберам относятся
скрубберы конструкции ВТИ, СИОТ, ЛИОТ. В
центробежном скруббере СИОТ газ поступает
в тангенциальный патрубок 2 (рис. 6.60). полу-
чая вращательное движение. Жидкость подво-
дится в патрубок 3 и расположенный в верхней
части скруббера специальный желоб 4, из ко-
торого она стекает по внутренней поверхности
корпуса /, смывая частицы пыли. Очищенный
газ через раскручиватель 5 выводится из пат-
рубка 6.
Центробежный скруббер ВТИ показан на
рис. 6.61. Запыленный газ поступает в аппарат
через патрубок 2 по касательной к стенке кор-
пуса / и приобретает интенсивное вращатель-
ное движение. Под действием центробежной
силы частицы пыли отбрасываются к стенкам
скруббера и смываются пленкой воды, посту-
пающей через сопла 3 и стекающей по стенкам.
Очищенный и одновременно охлажденный газ
удаляется через верхнее отверстие 4, степень
открытия которого регулируется дроссельной
заслонкой. Отработанная вода отводится через
гидравлический затвор 5.
Достоинствами центробежного скруббера
являются: высокая степень очистки в поле цен-
тробежных сил при турбулентном движении
газа и жидкости; низкое гидравлическое сопро-
тивление; простота устройства и экономич-
ность эксплуатации.
Степень очистки газа в центробежном
скруббере зависит от диаметра его цилиндри-
ческой части. Так, в скруббере диаметром 1 м
степень очистки достигает 85...87 %, при диа-
метре 0,5 м - 95 %, а в скрубберах меньшего
размера - 98 %. Сопротивление такого центро-
бежного скруббера значительно меньше сопро-
тивления сухих центробежных пылеуловителей.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
369
Максимальная скорость газа wmax, от-
несенная к полному сечению скруббера, во
избежание образования брызг в этом скруббере
не должна превышать 6 м/с, а максимальная
скорость газа во входном патрубке - 23,5 м/с.
Внутренний диаметр скруббера прини-
мают D = 1,2... 1,3 м.
Сопротивление скруббера при макси-
мальной нагрузке составляет:
t 2 2
д _ SPo^max _ 2 39 vvmax
Р 2#(l + q/273) ’ 14-^/273’
где - температура газов, поступающих в
скруббер, °C; pg - плотность газов, кг/м3; £, -
коэффициент гидравлического сопротивления
скруббера.
Удельный расход воды на орошение
скруббера (диаметром 1,2... 1,3 м) при началь-
ной запыленности газа не более 25 г/м3 прини-
мается 0,13 л/м3 очищаемого газа, а число со-
пел на один скруббер - равным шести.
Скорость истечения воды из сопел
w = 3,5...4 м/с.
Напор воды перед соплами при заданной
скорости истечения из сопла и коэффициенте
гидравлического сопротивления \|/ = 1, м,
0,1 lw2
Р~ 10«
Полный расход воды GB , м3/с, по задан-
ному максимальному расходу газов Gmax ,
м3/с, известной их температуре , °C и удель-
ному расходу воды <7уд , м3/с, составляет:
_ 3,62удСтах
l + q/273 '
Температура газов, °C, выходящих из
скруббера, может быть ориентировочно под-
считана по формуле:
Г2 = 0,6/j +0,40,
где О - температура мокрого термометра, °C.
Объем скруббера Уск , м3, количество те-
плоты, затрачиваемой на нагрев раствора и
испарение из него жидкости для сгущения рас-
твора (2СК , Дж, определяют по формулам
Vck=-^t-; GcK=?(/i-/2)-enc.
ос^Аг
где av - объемный коэффициент теплообме-
на, Дж/(м3 ч °C); Аг - средняя разность темпе-
ратур газа и раствора, °C; Ц и /2 - соответ-
ственно начальная и конечная энтальпии газа,
Дж/кг; 0ПС потери геплшы в окружающую
среду, Дж/ч.
Средняя разность температур
АГ =
In —-----,
t2 - О
t[ и /2 ~ соответственно начальная и ко-
где
нечная температура газов, °C.
Объемный коэффициент теплообмена
av, Дж/(м3 ч °C), по формуле М.В. Лыкова
av = 8,9B°’366(yJ0’6
где В - плотность орошения, кг/(м2 ч); -
массовая скорость газов по сечению скруббера,
кг/(м2с).
Формула получена при изменении плот-
ности орошения от 500 до 4000 кг/(м2 ч), дав-
лении перед форсунками 0,2...0,8 МПа и ско-
рости газов в скруббере от 0,3 до 1,5 м/с.
Рабочая высота скруббера - расстояние
между вводом газов и форсунками
4V
Н=-^.
HD2
К ударно-инерционным скрубберам отно-
сятся дезинтеграторы. В дезинтеграторе быст-
ро вращается ротор в виде диска, на котором
по концентрическим окружностям укреплены
стержни. При вращении ротора его стержни
проходят между неподвижными стержнями,
укрепленными на стенках корпуса, и тонко
распыляют жидкость в газе. При этом жид-
кость смачивает почти всю пыль, содержа-
щуюся в газе, и удаляется вместе с нею.
Дезинтегратор совмещает функции вен-
тилятора и пылеотделителя. Перед поступле-
нием в дезинтегратор газ необходимо охладить
до 50...60 °C, а по выходе из дезинтегратора
очистить от мельчайших частиц жидкости.
Высокая степень очистки газов достига-
ется в пенном пылеуловителе (рис. 6.62). Газы
370
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Рис. 6.62. Пенный скруббер
(Гп - запыленный газ; Г- очищенный газ;
В - вода)
поступают через патрубок 1 и, проходя через
мелкие отверстия решетки 2, вспенивают воду,
подаваемую через щтуцер 3. Благодаря значи-
тельной поверхности пена хорошо поглощает
частицы пыли. Отделившиеся от газа частицы
пыли уходят с водой, основная часть которой
(приблизительно 80 %) удаляется в виде пены
через регулируемый порог 4. Остальная вода
сливается через решетку, а также испаряется и
уносится в виде брызг газами.
Скорость газа в полном сечении аппарата
является основным фактором, от которого за-
висит хорошее пенообразование жидкости,
обеспечивающее высокое улавливание пыли.
Верхним пределом допустимой скорости газа
является такая его скорость, при которой резко
усиливается унос воды в виде брызг. По экспе-
риментальным данным, она соответствует ско-
рости набегающего потока газа на решетку
порядка 2,7...3,5 м/с и зависит от диаметра
отверстий решетки, увеличиваясь с уменьше-
нием диаметра отверстий.
Нижним пределом скорости газа для пен-
ного аппарата является такая скорость, при
которой сильно уменьшается пенообразование
вследствие того, что значительная часть жид-
кости сливается через отверстия решетки.
Нижним пределом расчешой скорости можно
считать 1 м/с. Обычно принимают скорость
порядка 2...2,5 м/с. Для сохранения достаточ-
ной равномерности пенообразования по всей
решетке необходимо, чтобы через ее отверстия
протекало не более 50 % подаваемой воды.
Расход воды в скруббере складывается из рас-
ходов на утечку и на слив с решетки.
Количество воды, поступающей в аппа-
рат, определяется из уравнения материального
баланса.
Степень очистки газа Г| в пенных аппа-
ратах может составлять Г| < 99 %.
Эффективны также турбулентные скруб-
беры, в которых создается двухфазный турбу-
лентный поток при помощи сопла Вентури
(рис. 6.63). Поток исходной пылегазовой
смеси подается через патрубок 4. Вследствие
разрежения, создаваемого высокоскоростным
(60...70 м/с) потоком запыленного газа GH,
выходящего из сопла 5 в расширительную ка-
меру 3, засасываемая в смесительную камеру
жидкость QH (вода или водный раствор) сме-
шивается с газом. В образованном таким обра-
зом трехфазном турбулизированном потоке
частицы твердой фазы из газа переходят в
жидкую фазу, в которой они вступают в реак-
Рис. 6.63. Турбулентный скруббер с соплом Вентури
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
371
цию с ее компонентами, растворяются или
образуют суспензию. Освобожденный от час-
тиц газ с массовым расходом GK выводится
через патрубок 1 в верхней части осадителя.
Жидкость подается в нижней части осадителя
через патрубок 8. Уровень жидкости регулиру-
ется ограничителем уровня 9.
Поток из расширительной камеры посту-
пает в осадитель 2, в верхней части которого
осаждаются капли жидкой фазы, а в нижней,
заполненной жидкостью, происходит отстаи-
вание поглощенных твердых частиц и продук-
тов реакции QK, удаляемых через патрубок 7.
В таком скруббере удается удалить из газа до
99 % тонкодисперсной пыли (размеры частиц
1.5...0,5 мкм).
Методика расчета центробежного скруббера
СИОТ. Подбор скруббера производят по заданной
производительности Q (по запыленному газу). В
соответствии с табл. 6.15 определяют типоразмер
6.15. Техническая характеристика скрубберов
(циклонов-промывателей) СИОТ (типы 1,11,111)
№ скруббера О, м3/ч, при скорости потока (в м/с) G, м3/ч, при скорости потока (в м/с)*
15 18 21 15 0,063 18 0,036 21 0,026
1 2550 3050 3550 0,16 0,11 0,10
2 4200 5050 5900 0,27 0,18 0,16
3 6450 7750 9050 0,41 0,28 0,24
4 9850 11250 13100 0,62 0,41 0,34
5 13300 16000 18650 0,84 0,58 0,49
6 18750 22500 26450 1,18 0,81 0,66
7 26600 31800 37250 1,62 1,15 0,97
8 37500 45000 52500 2,36 1,62 1,37
9 53200 63800 74500 3,35 2,30 1,94
10 75000 90000 105000 4,73 3,24 2,73
11 106400 127700 149000 6,70 4,58 3,88
12 150000 180000 210000 9,45 6,48 5,46
* В знаменателе дан удельный расход воды, л/м3.
Примечание. Тип скруббера (циклона-промыва-
теля) зависит от расположения входных и выходных пат-
рубков и конструкции раскручивателя:
I - с раскручивателем, направляющим выходящий по-
ток вниз;
II - с раскручивателем-улиткой;
III - без раскручивателя с выбросом воздуха вверх
6.16. Сопротивление скруббера, Па
Тип скруб- бера Скорость воздуха во входном патрубке, м/с
15 16 17 18 19 20 21
1-11 442 481 520 569 628 687 765
111 432 500 569 648 726 805 883
скруббера. По диаметру входною пагрубка с/вх ,
определяемому по справочным данным, находят
скорость газа w, м/с, на входе в скруббер:
_ ^Л<^ВХ
W~ 3600-4
Исходя из найденной скорости, по табл. 6.15 оп-
ределяют расход воды на скруббер, сопротивление
скруббера находят по табл. 6.16.
Методика расчета пенного скруббера. Ис-
ходные данные для расчета.
запыленный газ; производительность 60, м3/ч;
температура t , °C; давление на входе р, Па; ско-
рость w , м/с; концентрация пыли Свх , кг/м3.
Средняя площадь поперечного сечения аппа-
рата, м2,
F =-----2—.
3600w
Скруббер может быть круглого или прямо-
угольного сечения. В круглом аппарате обеспечивает-
ся более равномерный поток газа, в прямоугольном -
лучше распределение жидкости. Для расчета прини-
мается вариант аппарата прямоугольного сечения с
подачей воды посередине. Для лучшего распределе-
ния газа по площади аппарата ввод газа осуществля-
ется через диффузор.
Расчет количества подаваемой воды проводит-
ся в зависимости от температуры поступающего газа.
Для холодного газа наибольшее влияние на расход
воды оказывают гидродинамические факторы, для
горячего газа расход воды определяется тепловым
балансом.
При очистке от пыли газов, имеющих темпера-
туру ниже 100 °C, расчет количества подаваемой
воды проводят исходя из гидродинамики процесса и
материального баланса газоочистки. В обычных
условиях для сохранения достаточной равномерно-
сти ценообразования по всей решетке необходимо,
чтобы через отверстия протекало не больше 50 %
подаваемой воды, так как слишком сильная утечка
создает неравномерность высоты слоя воды на ре-
шетке.
Расход воды в скруббере складывается из рас-
хода воды, протекающей через решетку, и расхода
воды, идущей на слив с решетки. Испарением воды
при заданной температуре газа можно пренебречь.
372
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Количество воды, протекающей через отверстия
решетки, определяется массой уловленной пыли и
заданным составом суспензии.
Затем осуществляется подбор решетки с таки-
ми свободным сечением, диаметром отверстий и
прочими данными, чтобы обеспечить установленную
утечку.
При заданной степени очистки Г| концентра-
ция пыли в газе после скруббера Свых , кг/м3, опре-
деляется в зависимости от входной Свх :
с = СВХ (1—г]).
Количество улавливаемой пыли, кг/ч,
273
GVJ1 = Go--------(Свх -Свых).
ул v 2Х ВЫЛ s
Если известна концентрация суспензии с, опре-
деляемая как соотношение твердой Т и жидкой Ж фаз:
с = Т : Ж (в кг/кг), то утечка QyT, т.е объем воды,
необходимый для образования суспензии (в м3/ч),
определяется по уравнению:
где К - коэффициент распределения пыли между
утечкой и сливной водой, выраженный отношением
количества пыли, попадающей в утечку, к общему
количеству уловленной пыли; обычно К = 0,6...0,8.
Концентрация суспензии, как правило, нахо-
дится в пределах отношения Т'.Ж = (1 :5)...(1 : 10).
Получение суспензии с Т: Ж > 1 :5 может вызвать
забивание отверстий решетки (особенно мелких).
Получение суспензии с Т: Ж< 1 :10 нерационально
ввиду ее слишком больших объемов.
Расход воды на 1 м2 решетки, м3/(м2 ч),
?у = Qy/F
Вследствие трудности определения параметров
решетки по заданной утечке частичного испарения
воды после ее протекания через решетку принимает-
ся коэффициент запаса примерно 1,5.
Количество сливной воды 2СЛ > м3/ч, опреде-
ляется по формуле:
2сл = ib •
где i - интенсивность потока на сливе с решетки,
м3/(м ч); b - ширина решетки перед сливом, равная
длине сливного порога, м.
Для выбранного типа аппарата (слив на обе
стороны)
2сл =ъь.
Общий расход воды, м3/ч,
<2 = еут+<2сл-
Удельный расход воды, м3/м3, газа
<2yA=Go/G-
Утечка, %, составляет от общего расхода
воды Q
Йут=-^100-
При этом должно соблюдаться условие
G>2(2y.
Основные характеристики решетки (диаметр и
шаг отверстий) подбирают исходя из необходимой
утечки, которая повышается с увеличением диаметра
отверстий (/0 и высоты исходного слоя жидкости на
решетке Ао.
Утечка сильно возрастает при уменьшении
скорости газа в отверстиях ниже 4...6 м/с (в зависи-
мости от и /г0 ) и резко снижается при ее увели-
чении выше 13... 15 м/с, что может вызвать забива-
ние решетки пылью. Кроме того, повышение скоро-
сти газа в отверстиях при небольшом слое воды (пе-
ны) на решетке, характерном для газопромывателей,
приводит к струйному прорыву газа и сильному
брызгообразованию.
Для обеспечения нормальной работы скруббе-
ра скорости газа w0 в крупных отверстиях решеток
следует выбирать в пределах 8... 13 м/с, а для решеток
с более мелкими отверстиями - в пределах 7... 10 м/с,
в зависимости от исходной запыленности газа, воз-
можных колебаний газовой нагрузки и других усло-
вий.
Далее определяется отношение площади сво-
бодного сечения решетки /0 к площади сечения
аппарата/с учетом коэффициента полезной площади
решетки z:
fo_w
f woZ
При разбивке отверстий решетки по шести-
угольнику с шагом t заштрихованная площадь на
рис. 6.64
Так как на эту площадь приходятся два отвер-
стия диаметром , площадь отверстий
50 =2O,785do2 =l,57do-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
373
Отношение Sq/S должно составлять
1,57б/л
п =-------Г
1,73/2
Откуда при заданном диаметре отверстий
шаг отверстий, мм,
/1,57д?о
У 1,73п '
Высота порога на сливе с решетки устанавли-
вается из расчета создания слоя пены перед сливом
высотой 60... 100 мм (в зависимости от заданной
степени очистки).
Затем рассчитывается высота слоя пены на ре-
шетке для обеспечения заданной степени очистки Г|.
Коэффициент скорости пылеулавливания А^п ,
м/с.
2пи-
Связь между коэффициентом Х'п и высотой
слоя пены Н при улавливании гидрофильной пыли
со средним размером частиц, например 15...20 мкм,
выражается эмпирической формулой:
Н = Кп -l,95w + 0,09.
С другой стороны, для скрубберов
Н =О,8О6мА5йо0,6,
где - высота исходного слоя воды на решетке, м.
Отсюда высота исходного слоя жидкости, мм,
/ н \1/0,6
ло = оТ
V0,806w ,5 J
Высота исходного слоя жидкости /zq связана с
интенсивностью потока на сливе i и с высотой поро-
га hn эмпирической зависимостью
где ф - коэффициент, характеризующий водослив;
для производственных расчетов с достаточной точ-
ностью можно принять ф = 3 ; ф - степень подпора
жидкости порогом, которая может значительно из-
меняться в зависимости от условий пенообразования;
для рабочих условий скрубберов ф « 0,4 .
Рис. 6.64. Схема размещения отверстий
на решетке пенного скруббера
Таким образом, высоту порога hn можно рас-
считать по формуле:
hn =2,5/>0-7,5^.
Общая высота скруббера складывается из высот
отдельных его частей: надрешеточной h\ , подреше-
точной /?2 и бункера Эти высоты определяются
конструктивно: h\ - в зависимости от брызгообра-
зования и размеров брызюуловителя; /?2 в зави-
симости от конструкции подвода газа: - в зави-
симости от свойств суспензии. Рекомендации по их
назначению можно найти в специальной литературе.
6.3.4. ЦЕНТРИФУГАЛЬНАЯ РОТОРНАЯ
ТЕХНИКА
Области применения. К центрифугаль-
ной роторной технике (ЦРТ) относится техно-
логическое оборудование, предназначенное
для механического разделения текучих гетеро-
генных систем, включая газовые среды, с по-
мощью центробежных сил инерции (ЦСИ) в
роторе, которые в тысячи раз могут превышать
гравитационные силы.
Фактор разделения - безразмерный кри-
терий
= =a>1rlg,
г- 2 г
где г0) = /исо г и гg = mg - соответственно
центробежная и гравитационная силы, возни-
кающие в массе т при центробежном ускоре-
2
нии 0)ги ускорении свободного падения g.
Центрифугируемая среда представляет
собой взвеси компонентов (фаз) в виде твердых
314
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
или жидких частиц (дисперсная фаза) в жидко-
сти (непрерывная фаза, или дисперсионная
среда) или газе. Взвесь частиц жидкости в
жидкости является эмульсией, взвесь твердых
частиц в жидкости - суспензией. Шлам, кек,
шрот, осадок представляют собой высокона-
полненные суспензии. Продукты разделения -
фракции, содержащие фазы (компоненты) в
достигнутых разделением определенных соот-
ношениях: осветленная жидкость - фугат, от-
фильтрованная жидкость - фильтрат.
Ротор - вращающийся с рабочей угловой
скоростью узел центробежного разделения
жидкости и вал, крепящий этот узел в опорах.
Узел может включать барабан со шнеком, или
фильтрующие лопасти, или опору со стаканчи-
ками и др.
Любая конструкция ЦРТ соответствует
двум признакам: конструкционному в том, что
содержит быстровращающийся ротор, и про-
цессному в том, что именно в роторе достига-
ется наиболее полное разделение.
В методиках оценки применимости ЦРТ
того или иного вида отсутствуют четкие гра-
ницы. У разработчиков и изготовителей име-
ются лишь общие методические ориентирую-
щие рекомендации. Они наработаны многолет-
ней практикой центрифугирования различных
продуктов в зависимости от типа центрифуги-
рования, размера частиц твердой фазы, кон-
центрации дисперсной фазы в исходном про-
дукте, степени сухости или влажности полу-
чаемого осадка, разности плотностей компо-
нентов (фаз), требуемой производительности и
др. [34. 37, 40]. В качестве примера можно
привести диаграммы соответствия типа ЦРТ
предъявляемым условиям (табл. 6.17).
Разработаны различные информационно-
справочные и проектные системы направления
выбора требуемой модели машины [40].
Устойчивые взвеси с частицами малого
размера (примерно 1 мкм) разделяют осажде-
нием за счет разности плотностей дисперсион-
ной среды и дисперсной фазы. Для грубых
взвесей чаще всего применяют фильтрование, в
котором разность плотностей не является оп-
ределяющим фактором.
ЦРТ используют для очистки жидкостей
и газов, обезвоживания шламов, осушения и
обеспыливания газов в различных производст-
венных процессах, но чаще всего при разделе-
нии сред с частицами дисперсной фазы,
имеющими размеры в основном в пределах
0,5... 1000 мкм. К ЦРТ для разделения сред с
6.17. Диаграмма параметров разделения центрифуг и
сепараторов различных типов
Размер частиц, мкм вмввмм 0,1 1,0 10 100 1000 10000
Концентрация частиц в исход- ной жидкости, % i^Mi 0 10 20 30 40 50
Влажность осадка, % 0 20 40 60 80 100
Фильтрующая центрифуга 1^М I^M вв м
Подвесная центрифуга с верх- ним приводом
1^М I^M 1^М ми
Маятниковая центрифуга с нижним приводом м MM ^м мм
Декантерная (осадительная) центрифуга миП в в в в H и в в в в
Сопловой сепаратор 1^М 1^М в в в в в в в в
Сепаратор с автоматизирован- ной выгрузкой осадка ММ 1^М d в в в
Сепаратор с ручной выгрузкой осадка в в в в |в в в
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
375
размерами дисперсной фазы, выходящими за
указанные пределы относятся, например, вы-
сокоскоростные газовые центрифуги для раз-
деления газовых взвесей и низкоскоростные
центрифуги для осушения порционированных
кусков рыбы, гравия. ЦРТ применяют для ос-
ветления, очистки дисперсионной среды, вы-
деления, сгущения, обезвоживания, промывки
и классификации дисперсной фазы, а также для
проведения экстракции. ЦРТ может быть вы-
полнена во взрывозащищенном варианте, гер-
метичной, работающей при повышенной тем-
пературе, с защитой от коррозии и эрозии.
К преимуществам ЦРТ относятся воз-
можность обеспечения высоких значений ре-
жимных параметров, непрерывности процесса,
автоматизации работы, компактности. Напри-
мер, непрерывнодействующие машины могут
иметь производитель от 50 л/ч до 300 м3/ч при
занимаемой площади от 0,03 до 30 м2. Их кон-
струирование, изготовление и эксплуатация
требуют высокого уровня подготовки, техни-
ческой культуры, навыков и знаний специфики
производства, основанных в значительной сте-
пени на опыте разработчиков и пользователей.
Поэтому количество заводов-изготовителей
современной ЦРТ ограничено, несмотря на
широкий потребительский рынок и высокую
потребительскую стоимость этого оборудова-
ния.
ЦРТ имеет широкое применение в самых
различных пищевых производствах [2, 7]:
молочном - получение сливок; очистка,
нормализация и гомогенизация молока; выде-
ление белковых фракций в производстве тво-
рога и переработке сыворотки; бактофугирова-
ние; производство молочного сахара;
мясном - сепарирование крови; очистка
жиров, тузлуков; очистка и обезжиривание
бульонов; получение эндокринных и фермент-
ных препаратов; выделение жира из шквары;
отделение воска от пера птицы; отделение ос-
татков содержимого яиц от скорлупы;
крахмалопаточном - выделение крахма-
лов; сгущение глютена; осветление сиропов и
др.;
дрожжевом - сгущение дрожжевых сус-
пензий и осветление мелассы;
спиртовом - обезвоживание барды;
винодельном - осветление сусла, винома-
териалов, вин, купажей и др.
пивобезалкогольных напитков - осветле-
ние пивного сусла, зеленого пива, пива перед
фильтрацией, а также на других стадиях приго-
товления пива; осветление соков, спиртов, ква-
са; очистка плодово-ягодных соков и напитков;
масложировом - очистка прессовых ма-
сел; отделение свободных жирных кислот;
нейтрализация глицериновой воды; обработка
жидких полуфабрикатов мыловарения; обез-
жиривание растворителей;
рыбоперерабатывающем извлечение
жира из бульонов; очистка и осветление буль-
онов;
клеежелатиновом - очистка и обезжири-
вание бульонов, пищевой и технической жела-
тины;
сахара - осветление растворов и отделе-
ние кристаллов в разных стадиях производства
сахара;
кондитерском - очистка масел, сахарных
глазурей, сиропов;
мукомольном - очистка воды после про-
мывки зерна;
пчеловодстве - осветление меда и воска и
т.д.
В ЦРТ осуществляются четыре следую-
щих друг за другом стадии обработки разде-
ляемой жидкости и ее фракций: подача ПД,
прием и распределение ПР, разделение Pi, вы-
вод полученных фракций ВР (рис. 6.65).
Каждая стадия состоит из определенного
набора характерных операций, выполняемых в
ЦРТ последовательно по ходу движения про-
дукта:
ПД1 - подать в центробежную машину,
ПД2 - подать в ротор центробежной машины;
ПР1 - принять в роторе, ПР2 - создать
ЦСИ, ПРЗ - распределить по зоне разделения;
РП - осуществить предварительное вы-
деление основной части дисперсной фазы (для
ЦРТ с развитой поверхностью осаждения),
Pi2 - организовать первый этап разделения
(расслоить фазы исходной жидкости на фрак-
ции), Pi3 - организовать второй этап разделе-
ния (создать отток фракций из зоны их рас-
слоения);
ВР1 - организовать движение разделен-
ных фракций к зонам их вывода из барабана;
ВР2 - организовать вывод фракций из бараба-
на, ВРЗ - организовать прием фракций непод-
вижными элементами машины и их отвод из
последней.
В конструкциях малопроизводительных
сепараторов встречаются машины с подачей
разделяемой жидкости сначала в приемную
камеру (операция ПД1), неподвижно закреп-
ленную на корпусе.
376
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Рис. 6.65. Постадийно-пооперационная двухуровневая структурная схема
работы ЦРТ по степени декомпозиции технологической последовательности
операций (а) и структурная схема типовой ЦРТ (0):
---основание;------------ корпус; • • • - ротор;
— -----подающее и приемно-отводящие устройства;
---► - направление выполнения операций;
...►- рециркуляционные потоки фракций или пеноотвод
Важным параметром, определяющим эф-
фективность разделения, является характерное
расстояние разделения, которое надо преодо-
леть частице, чтобы коснуться поверхности
осаждения. С этого момента ее считают выде-
ленной из потока. В зависимости от величины
отмеченного характерного расстояния (пара-
метра) зоны разделения Pi определяются три
основных типа разделения: объемный - осаж-
дение в слое жидкости, имеющем указанное
расстояние порядка 10'1 м; среднеобъемный -
осаждение с расстоянием порядка 10'3 м; мало-
объемный - фильтрование с расстоянием по-
рядка 10'6 м.
Каждой стадии обработки разделяемой
среды в конструкции ЦРТ соответствует опре-
деленный узел: укрепленное на корпусе по-
дающее (питающее) устройство ПДУ', прием-
но-распределительное устройство ротора ПРУ',
разделяющий узел ротора с рабочей зоной раз-
деления РУУ; устройства для подготовки к вы-
воду из ротора легкой У ВЛ, тяжелой У ВТ
фракций и осадка УВО', приема и отвода легкой
ПОЛ, тяжелой ПОТ и осадка ПОО фракций из
ЦРТ. В узле РУ1 буква i определяет назначение
зоны разделения и самого сепаратора. К этим
узлам добавляется преобразователь внешней
энергии в энергию вращения ротора и находя-
щейся в нем жидкости ПВЭ - привод.
В схеме конструкции каждый узел стыку-
ется с определенными технологическими опе-
рациями, и каждая операция, и каждый узел
могут при определенных условиях ограничить
эффективную эксплуатацию машины в целом.
Равная степень важности как конструк-
ционных, так и технологических признаков
обусловливает важность схем работы и поуз-
ловой схемы, приведенных на рис. 6.54, для
правильной оценки разрабатываемой или экс-
плуатируемой машины. Обозначения, приня-
тые в схемах, используются в дальнейшем при
описании конструкций.
Наиболее устоявшимся, но в значитель-
ной мере условным, является деление ЦРТ на
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
377
центрифуги и сепараторы. К этому следует
добавить центрифугальные устройства, встраи-
ваемые в качестве узлов в корпусы другого
технологического оборудования и имеющие
ротор с зоной наиболее тонкого разделения.
Однако использование последних в технологи-
ческих линиях пищевых производств носит
пока больше исследовательский характер.
Центрифугой называют ЦРТ, в роторе
которой имеется зона наиболее тонкого разде-
ления. Ротор установлен в подшипниках на
основании и защищен кожухом. Чаще всего
ротор имеет вращаемый вокруг собственной
оси барабан, как правило, тонкостенный. Цен-
трифуги делят в отечественной практике на
собственно центрифуги и сепараторы.
Сепаратором называют центрифугу,
имеющую барабан с зоной наиболее тонкого
разделения в виде пакета сепарирующих вста-
вок, как правило конических, или параллельно
установленных цилиндрических вставок. Бара-
бан сепаратора установлен на вертикальном
валу, упруго подпружиненном в радиальном
направлении.
В технической литературе признаком де-
ления на центрифуги и сепараторы можно
встретить наибольшую величину Fr в рабочей
зоне центробежного разделения (зоне наиболее
тонкого разделения) [38]: Fr < 4000 для цен-
трифуг; Fr > 4000 для сепараторов (сверхцен-
трифуг).
Технологические и механические рас-
четы включают определение:
параметров процесса (производительно-
сти, диаметра наименьшей выделяемой части-
цы, давления, периода работы);
конструкционных параметров зон разде-
ления, загрузки и выгрузки;
затрат мощности;
прочностных и динамических параметров
ротора, опор, привода;
параметров виброизоляции [29, 31 - 34,
36-40].
Прочностные расчеты проводят для де-
талей и узлов ротора и привода с учетом ди-
намики их работы [37, 39, 40]. Учитывается
влияние краевых эффектов. К наиболее точ-
ным аналитическим методам относится метод
конечных элементов (МКЭ). Прочностная
оценка работоспособности должна включать
расчеты на вероятность разрушения с учетом
характера цикличности изменения нагрузки,
надежность, ресурс работы и проверяться экс-
периментально.
На результаты разделения влияют как па-
раметры ЦРТ, так и свойства разделяемой
жидкости, ее фаз и фракций. Применительно к
ЦРТ и сепараторам Т.П. Бремером разработана
теория разделения (осаждения), которой было
установлено соответствие между группой па-
раметров обрабатываемого материала (разде-
ляемость жидкости) критерий F и необходи-
мой для достижения заданных результатов
группой параметров машины [29] (механиче-
ский разделяющий фактор машины) - критерий
Ф. Величина, обратная разделяемости 1/Е, -
сопротивляемость дисперсной системы к вы-
делению из нее частиц.
Для выделения осаждением из жидкости
взвешенных в ней частиц необходимо, чтобы
механический разделяющий фактор ЦРТ был
численно равен (был не менее) сопротивляемо-
сти дисперсной системы. Предельный случай
имеет вид
ФЕ-1.
Из этого уравнения Бремера (1928 г.) вы-
водятся все основные критерии осаждения
разделяющей техники. Суть вывода уравнения
заключается в приравнивании времени движе-
ния частицы с потоком в зоне осаждения к
времени преодоления ею в радиальном направ-
лении толщины потока до поверхности осаж-
дения под действием инерционных сил.
Разделяемость - это мера способности
гетерогенной жидкости отстаиваться незави-
симо от используемой для этого техники:
£ = ^Др/(18Пж).
где б/р - диаметр частицы, м; Ар - разность
плотностей между фазами, например, между
осадком и жидкостью, кг/м3; Г|ж - динамиче-
ская вязкость жидкости, являющейся диспер-
сионной средой.
Формула скорости аро осаждения по
Стоксу одиночной сферической частицы в гра-
витационном поле имеет вид:
Eg = t>po
С учетом переменного характера Fr по
глубине слоя (потока) разделяемой жидкости
уравнение Бремера принимает вид
Fr ^ос^ро / Qf — 1,
378
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
где Аос - доля площади поверхности осажде-
ния, перпендикулярной радиусу; Qp - объем-
ная производительность по очищенной жидко-
сти, фугату, поскольку объемная доля дисперс-
ной фазы в потоке невелика.
Для трубчатой центрифуги критерий
Фтц = 2n /?/ocoj 2 /?-3 °!- >
\n(R/r0YQF
для сепараторов
Фс =(2/3)7tz®2(ctga/2F)(ri3-г2),
где Го и R - радиусы свободной поверхности
потока и внутренней поверхности цилиндриче-
ской стенки барабана; rj и - наружный и
внутренний радиусы осветлительного пакета,
составленного из z тарельчатых вставок.
Вместо механического разделяющего
фактора Ф чаще используют его аналог -
сигма-фактор (индекс производительности)
S = | = j*(Fr- n)dA = jFrcosadM,
°с А А
где п - нормаль к поверхности осаждения;
ос - угол между нормалью и радиусом.
Оба критерия связаны простым сооноше-
нием
ф = g^/Qr,
поэтому
(ШКо = 1-
Показатели Ф и S получены при рас-
смотрении только операции осаждения. Осо-
бенности других операций этими критериями
не учитываются.
Для трубчатой центрифуги
^тц ~ РГТЦ ^ос.тц ~ ^гтцтах ^Fr Лэс.тц ’
где FrTlimax =(D27?/g - наибольший фактор
разделения; &Fr = (1-(r0//?)2)/ln(/?/r0)2 -
коэффициент усреднения, которым учтен пе-
ременный характер Fr по глубине потока;
Дос тц = - площадь поверхности
осаждения.
Для сепараторов
= Frc ЛОс с = FrCmax ^Frc^oc.C’
где Frcmax = (D rj/g ; #Frc = 2/3(1 - '
:(l-r22); Лос C=4cosa=7tzr2(l-^2)x
xctga; r2 =r2frx
Классификация центрифуг. В зависи-
мости от признака, положенного в основу
классификации, центрифуги делятся на раз-
личные виды:
по области применения - для пищевой,
химической и других отраслей промышленно-
сти;
по принципу разделения - осадительные,
фильтрующие, адгезионные и комбинирован-
ные;
по расположению ротора - вертикальные,
горизонтальные и наклонные;
по конфигурации ротора - пробирочные,
барабанные (цилиндрические, конические, ци-
линдроконические), кольцевые, лопастные и др.;
по цикличности выгрузки осадка - пе-
риодического, циклического и непрерывного
действия;
по рабочей скорости вращения - нор-
мальные и сверхцентрифуги;
по способу выгрузки осадка - с ручной,
под действием собственного веса, инерцион-
ной центробежной или вибрационной выгруз-
кой, с принудительной механической шнеко-
вой, ножевой, поршневой и др.;
по характеру взаимного направления по-
токов - прямоточные и противоточные;
по виду разделяемой жидкости - двух- и
трехфазные;
по степени герметизации, взрывозащи-
щенности - открытые, полугерметичные и гер-
метичные, а также взрывозащищенные различ-
ной степени защиты и по другим основаниям.
Система условных обозначений цен-
трифуг [35]. Первая буква определяет принцип
разделения в центрифуге: О - отстойная, Р -
разделяющая (сепарирующая), Ф - фильтрую-
щая, К - комбинированная.
Вторая буква характеризует конструкци-
онный основной признак положения или креп-
ления барабана: Г - горизонтальный, В - вер-
тикальный, Н - наклонный, Т - вертикальный
трубчатый и т.д.
Третья буква обозначает способ выгрузки
осадка: Б - ручная через верхний борт, Д -
ручная через днище, Р - ручная с разборкой
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
379
ротора, Н - ножевая, С - гравитационная (са-
моразгружающаяся), Ш - шнековая, Ц - цен-
тробежная (инерционная) и т.д.
Следующие за буквами цифры обознача-
ют внутренний диаметр барабана (в см) и ис-
полнение центрифуги: 1 - негерметизирован-
ное, 2 - негерметизированное с взрывозащи-
щенным электрооборудованием, 3 - гермети-
зированное взрывозащищенное и т.д.
После цифр идут буквы, соответствую-
щие материалу основных деталей, соприка-
сающихся с обрабатываемым продуктом: У -
углеродистая сталь, Л - легированная сталь, К -
коррозионно-стойкая сталь, Т - титан и его
сплавы и т.д.
Последняя цифра обозначает порядковый
номер модели.
За рубежом стандарты стран и компаний
подразделяют центрифуги и по другим призна-
кам, а системы обозначений состоят, как пра-
вило, из одной - четырех букв и цифр.
Конструкционные особенности и прин-
ципы действия центрифуг. В общем случае
центрифуга включает подающее устройство,
ротор с приемно-распределительным устройст-
вом, зоной разделения и устройствами подго-
товки вывода фракций из ротора, а также уст-
ройство приема и вывода фракций из центри-
фуги.
Самой простой по конструкции и органи-
зации работы является стаканчиковая (проби-
рочная) центрифуга, которая используется в
пищевых производствах, как правило, для про-
ведения тестовых и исследовательских работ,
Стаканчики могут быть сплошными для осаж-
дения дисперсной фазы или с отверстиями для
фильтрования.
Как уже отмечалось, для разделения осо-
бо тонких взвесей используются вертикальные
трубчатые осадительные центрифуги - супер-
центрифуги, поскольку имеют весьма высокий
фактор разделения Fr (рис. 6.66).
Ротор с трубчатым барабаном 1 подве-
шен на валу 5 вертикально в корпусе 2 в под-
шипниковых опорах и приводится во вращение
электродвигателем 4. Исходный продукт пода-
ется в центрифугу снизу, откуда через прием-
но-распределительное устройство поступает в
барабан 1 для разделения. Жидкие фракции
свободно вытекают из верхней части барабана,
сбрасываются в приемники 3 и б, откуда само-
теком выводятся из центрифуги. Осадок нарас-
тает на стенках барабана 1. После заполнения
барабана осадком центрифугу останавливают и
удаляют осадок вручную.
Рис. 6.66. Трубчатая центрифуга
В зависимости от конструкции частота
вращения такой центрифуги п = 250...850 с1, а
Fr = 1300-..62000. Объем осадка в барабане
составляет 0,2...5,5 л. Центрифуги могут по-
ставляться в разных исполнениях: обычном и
взрывозащищенном; со стерилизацией паром
при температуре 121 °C, с ротором для выде-
ления двух- и трехфазных систем; с напорным
устройством для вывода фракций под давлени-
ем; с охлаждением. Некоторые виды машин
приводятся во вращение воздухом с помощью
специальной турбины. Фактическая произво-
дительность трубчатых центрифуг составляет
преимущественно 8...500 л/ч в зависимости от
вида разделяемого продукта.
Трехколонные центрифуги с нижним
приводом выпускают с ручной и механизиро-
ванной нижней выгрузкой осадка. Их приме-
няют для фильтрования (фильтрующие цен-
трифуги) или при концентрации дисперсной
твердой фазы более 1 % (объемного) для ос-
ветления суспензий (осадительные центрифуги).
Центрифуга состоит из ротора с барабаном,
установленным на вертикальном валу (рис. 6.67).
Барабан 3 приводится во вращение электродви-
гателем 5 (или гидроприводом) с помощью
ременной передачи. Узел крепления ротора
состоит из трех тяг, укрепленных и подпружи-
ненных в вертикальных колонках / плиты б,
что позволяет ротору самоустанавливаться при
возникновении дисбаланса. Процесс центрифу-
380
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Рис. 6.67. Трехколонная центрифуга с нижним приводом:
1 - колонка; 2 - корпус привода; 3 - барабан; 4 - вал; 5 - электродвигатель;
6 - плита; 7 - тормоз
Рис. 6.68. Подвесные фильтрующие центрифуги с
верхним приводом и нижней выгрузкой осадка
гирования выполняется, по меньшей мере,
тремя этапами, каждый из которых осуществ-
ляется при собственной частоте вращения:
загрузка, центрифугирование, выгрузка.
После окончания центрифугирования
суспензии нож или скребок вводится в осадок
и срезает его. Осадок падает в приемник.
Управление циклом может быть автоматиче-
ским или полуавтоматическим.
Диаметр барабана центрифуг D =
= 600... 1600 мм, Fr = 500... 1200, объем
V = 60... 500 л.
Подвесные фильтрующие центрифуги с
нижней выгрузкой осадка имеют широкое рас-
пространение в сахарной промышленности
(рис. 6.68). Барабан 7 подвешен на вертикальном
валу 2, который укреплен в шаровой опоре 3 и
приводится во вращение электродвигателем 4.
Также как и в маятниковых центрифугах, такая
конструкция позволяет ротору самоцентриро-
ваться при возникновении дисбаланса. Работа
подвесных центрифуг и их конструкция во
многом аналогичны маятниковым машинам.
Особенностью конструкции является возмож-
ность промывки и пропарки осадка.
Подвесные фильтрующие центрифуги мо-
гут иметь конический барабан, в котором осадок
поднимается вверх по конической поверхно-
сти. Поэтому такие центрифуги относят к ма-
шинам с инерционной выгрузкой осадка. Диа-
метр барабана центрифуг D = 1000... 1300 мм,
Fr = 700...2300, объем V = 300...800 л.
Наиболее эффективно применение гори-
зонтальных центрифуг с ножевой выгрузкой
осадка для центрифугирования суспензий со
средне- и мелкозернистой твердой фазой при
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
381
ее концентрации в исходной жидкости более
10%, когда допускается измельчение частиц
осадка (рис. 6.69). Большинство машин такого
типа выпускаются с фильтрующим барабаном.
Горизонтальный вал 2 с барабаном 4 крепится
в опорах на станине 1. Привод имеет электро-
двигатель с ременной передачей. На передней
крышке кожуха установлен механизм 3 среза
осадка с ножом 5. После набора осадка меха-
низмом 3 нож 5 подводят к осадку. Срезаемый
осадок падает в отводящий лоток 6 и выбрасы-
вается из центрифуги. Важной особенностью
таких центрифуг является возможность прове-
дения всех операций в автоматическом режиме
при постоянной частоте вращения ротора.
Цикл центрифугирования включает по-
стоянную загрузку суспензии при ее фильтро-
вании, промывку набранного осадка, центро-
бежный отжим, выгрузку осадка ножевым ме-
ханизмом и регенерацию фильтрующей пере-
городки. Диаметр барабана центрифуг состав-
ляет D = 600...3000 мм, Fr = 400...2000.
Шнековые осадительные центрифуги
получили наибольшее распространение в пи-
щевой промышленности. Типичная осадитель-
ная горизонтальная шнековая центрифуга (де-
кантер) состоит из цилиндроконического бара-
бана 16 (рис. 6.70), установленного между
двумя коренными подшипниковыми опорами 2
и 72, привода 13, кожуха 7 с питающим 14
(ПДУ, см. рис. 6.54) и приемно-отводящими 75
и 18 (ПО!) устройствами и станины 77.
Внутри барабана 76 расположен шнек 5,
вращаемый планетарным редуктором 7 с час-
тотой на 20...50 мин1 выше или ниже частоты
вращения барабана. Благодаря этой разнице
скоростей обеспечивается выгрузка осадка со
стороны конической части барабана.
Рис. 6.69. Горизонтальная центрифуга
с ножевой выгрузкой осадка
В современных центрифугах барабан со-
стоит из одной - двух конических 9 и одной -
трех цилиндрических 6 секций, соединенных
между собой через наружные фланцы 8. Внут-
ри секций расположены продольные направ-
ляющие полоски или ребра. Они служат для
уменьшения отставания частоты вращения
осадка от частоты вращения барабана. В тор-
цовых частях барабана установлены фланцы 4
и 10 с окнами 3 и 7 7 для вывода разделенных
фракций жидкости (УВЛ) и осадка (УВО). Ос-
ветленная жидкость выводится через окна 3
цилиндрической части (УВЛ). Регулировка
уровня вывода жидкости из барабана осущест-
вляется с помощью вставок с окнами 3.
При центрифугировании некоторых про-
дуктов, таких как сточные воды, крахмал, пиг-
менты, вставки дополнительно защищают от
эрозионного износа. Для предотвращения
Рис. 6.70. Осадительная горизонтальная шнековая центрифуга (декантер)
382
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
вспенивания жидкости, например, в пивном
производстве, применяют специальное напор-
ное приемно-отводящее устройство {ПОЛ,
ПОТ). Оно представляет собой неподвижный
диск или черпательные трубки, работающие
как центростремительный насос. Кинетическая
энергия вращающейся жидкости преобразуется
в нем в статический напор. Регулировка давле-
ния степенью погружения напорного приемно-
отводящего устройства {ПОЛ, ПОТ) в жид-
кость происходит снаружи центрифуги без
прекращения ее работы, что является значи-
тельным преимуществом таких систем. При
этом требуется подвод дополнительной энергии.
В случае разделения трехфазных систем,
например, в мясной или рыбной промышлен-
ности, вывод двух жидких фракций (легкой и
тяжелой) осуществляется либо через окна, ли-
бо комбинированно: тяжелая - через окна фу-
гата {УВТ), легкая - с помощью напорного
устройства {УВЛ). Осадок выводится с помо-
щью шнека в конической части барабана {УВО).
Снаружи барабана расположен кожух 7 с
приемниками фугата и осадка. Питающая тру-
ба 14 закреплена на станине 17. На кожухе
может быть установлена трубка с форсунками
для мойки наружной поверхности барабана и
внутренней поверхности кожуха и приемников.
Такая конструкция применяется в случае без-
разборной мойки центрифуги, включая внут-
реннее пространство барабана.
Приемно-распределительное устройство
расположено внутри барабана и служит для
разгона исходного продукта до частоты враще-
ния барабана и подачи жидкости в зону разде-
ления между вставками шнека 5. Оно пред-
ставляет собой резервуар с выводными отвер-
стиями, которые могут располагаться под пря-
мым углом или наклонно к оси вращения. При
центрифугировании абразивных продуктов
приемное устройство защищают напылением
из твердого сплава или применяют вставку из
специального пластика. Для мелкодисперсных
продуктов и продуктов, подверженных дроб-
лению при воздействии касательных напряже-
ний, используют приемное устройство специ-
альной конструкции, обеспечивающие плавное
ускорение потока.
Шнек 5, транспортирующий осадок,
представляет собой полую трубу, на которую
под углом 85...90° к цилиндрической поверх-
ности наварена винтовая лента. Для пищевых
производств особенно важным является обес-
печение требований санитарии и гигиены, по-
этому места сварки и витки шлифуют. Вслед-
ствие высокого трения осадка в конической
части барабана витки шнека в ряде случаев
защищают от износа. Для этого применяют
напыление из твердосплавного материала, ке-
рамические вставки или вставки из карбида
вольфрама. При относительно невысокой
стоимости последние позволяют в несколько
раз увеличить срок службы шнека. Вставки
имеют вид пластинчатых секторов прямой или
изогнутой формы. Последние позволяют
уменьшить вращающий момент, увеличить
производительность и повысить сухость осад-
ка. В зависимости от свойств продукта, ис-
пользуют одно- или многозаходные шнеки с
различным шагом. Для отдельных продуктов
полезным является применение шнеков разно-
го вида. Например, шнек типа Киви при цен-
трифугировании витаминов, глютена и крахма-
ла позволяет получить сухость осадка на 35 %
выше, чем у стандартных конструкций.
В крахмалопаточной, спиртовой, биотех-
нологической отраслях промышленности, где
требуется высокое качество фугата, внутри
цилиндрической части барабана устанавливают
специальную вставку. Она представляет собой
набор продольных направляющих пластин или
внутренних каналов в шнеке, что уменьшает
турбулентность в зоне осветления и предот-
вращает вторичный унос твердых веществ в
эту зону. Применение таких устройств позво-
ляет получать фугат в 2 раза чище, чем при
работе устройства обычной конструкции.
Фланец конической части вывода осадка
снабжен, как правило, твердосплавными смен-
ными вставками, уменьшающими износ этой
части. Вставки располагаются в четырех - вось-
ми цилиндрических отверстиях у края кониче-
ской части. Имеются конструкции, создающие
малое сопротивление осадку при выводе, что
предотвращает забивание им узкой части бара-
бана.
Шнек вращается в шариковых подшип-
никах, смазывающихся консистентной смаз-
кой. Коренные опоры 2 и /2 ротора снабжены,
как правило, двухрядными сферическими под-
шипниками. Для центрифуг большого диамет-
ра используют принудительную систему сма-
зывания через гидравлическую станцию. Ино-
гда вместо подшипников качения применяют
подшипники скольжения.
Герметизация центрифуги достигается
благодаря применению внутренних и наруж-
ных уплотнений различного типа. Они могут
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
383
быть одинарными или двойными. Лабиринт-
ные уплотнения используют в случае центри-
фугирования токсичных и опасных продуктов.
Они позволяют работать при давлении до
400 мм вод. ст. Для обеспечения пожаро- и
взрывобезопасности в отдельных случаях ис-
пользуют систему подачи инертного газа
внутрь кожуха.
Вращение ротора обеспечивается, как
правило, от стандартного электродвигателя
переменного тока через клиноременную пере-
дачу. Иногда используют гидромуфту. В неко-
торых случаях применяют гидравлическую
станцию с гидромотором. Центрифуги с боль-
шим диаметром барабана или с системой без-
разборной мойки приводятся в действие двига-
телями постоянного тока. Взрывозащищенное
исполнение предусматривает то, что главный
привод ротора имеет стандартный двигатель
переменного тока, а для привода шнека и регу-
лировки дифференциальной скорости исполь-
зуют дополнительный двигатель постоянного
тока.
Дифференциальная скорость (разность
угловых скоростей) между барабаном и шне-
ком создается, как правило, благодаря установ-
ленному между ними двухступенчатому плане-
тарному редуктору. Это позволяет с помощью
малого крутящего момента на входе получать
до 20 кН м и выше момент на выходе из редук-
тора. В то же время разность частот вращения
остается малой. Могут также использоваться
эпициклические одно- и двухступенчатые ре-
дукторы, а также раздельные редукторы для
каждого привода. Выбор типа редуктора обу-
словлен особенностями работы.
Современные центрифуги оснащены раз-
личными электрическими или гидравлически-
ми системами изменения дифференциальной
скорости. Одна из простых и надежных - тор-
моз вихревого тока, осуществляющий притор-
маживание входного вала редуктора. Отсутст-
вие трущихся пар и малый расход энергии по-
зволяют без остановки центрифуги эффективно
управлять дифференциальной скоростью и
крутящим моментом, обеспечивая, тем самым,
оптимальные режимы работы. Такая система
также осуществляет защиту редуктора от пере-
грузок. В случае применения редуктора с по-
стоянным передаточным отношением диффе-
ренциальная скорость остается постоянной во
все время работы. Тогда используются различ-
ные механизмы защиты редуктора от перегру-
зок. Самый простой из них - пружинно-
рычажный, который срабатывает при превы-
шении заданного усилия. Другие системы за-
щиты предусматривают использование элек-
трических датчиков, предохранительных муфт
и других механизмов.
Все элементы центрифуги укреплены на
станине, выполненной в виде рамы. Статиче-
ские и динамические нагрузки снижают вибро-
опорами. Для центрифуг малого и среднего
размеров используются резиновые или резино-
пружинные виброопоры. В центрифугах боль-
шого размера пружины дополнительно погру-
жены в масляную ванну. Для цецтрифуг мало-
го и среднего размеров рамы обычно сварива-
ют из профильной углеродистой стали. Рамы
для больших центрифуг заполняют песком или
бетоном.
Система автоматизации центрифуг
обычно состоит из силового блока (стартера) и
блока электроники. Для простых центрифуг
используют только силовой блок. Системы
делятся на три вида:
1) самая простая обеспечивает пуск и ос-
танов центрифуги, а электронный блок обеспе-
чивает оптимизацию работы машины;
2) то же, что первая, и управление линией
или группой машин с помощью единого пер-
сонального компьютера;
3) то же, что вторая, и содержит сервер,
данные на который поступают из различных
предприятий по спутниковой системе связи.
С точки зрения механизма управления
работой и ее оптимизации можно также выде-
лить три уровня:
1) центрифуга имеет двигатель перемен-
ного тока с постоянной скоростью и редуктор с
фиксированным передаточным отношением;
2) то же, что и первый, и система автома-
тического регулирования дифференциальной
скорости и крутящего момента с помощью
контроллера;
3) полный контроль всего процесса. В
этом случае происходит анализ параметров
осадка и осветленных продуктов с помощью
соответствующих датчиков и приборов. Полу-
ченные данные анализируются компьютером,
который выдает сигналы приводу центрифуги
и управляющим устройствам исходного потока
продукта.
В качестве контролируемых параметров
процесса могут быть приняты: расход, темпера-
тура, влажность, концентрация осадка и легкой
фазы на выходе, кислотность, размер частиц,
плотность, прозрачность, вязкость. В этом слу-
384
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
чае в приводе центрифуги применяется двига-
тель постоянного тока с частотным конверто-
ром, позволяющим регулировать как основную
скорость ротора, так и дифференциальную
шнека. Такой тип привода позволяет осущест-
влять плавный пуск без пиковых нагрузок по
силе тока и благодаря особой электронной
системе экономить до 10 % энергии.
Электронный блок управления центрифу-
гой состоит из микропроцессора, который на-
страивается оператором на заданный режим
работы, например, поддержание максимально-
го вращающего момента. Этим обеспечивается
стабильная и максимальная сухость осадка при
колебании расхода концентрации взвешенных
частиц в исходном продукте. Блок также дает
информацию о текущих и заданных значениях
рабочей и дифференциальной скоростей, вра-
щающем моменте, а также обеспечивает бло-
кировку машины при превышении заданных
параметров и сигнализацию тревог. Интер-
фейсные линии могут связывать этот блок с
центральным компьютером. Например, блок
может управлять и вспомогательным оборудо-
ванием, таким как питающиий насос, станция
приготовления и дозирования флокулянтов,
клапаны, конвейер осадка и насос фугата.
В зависимости от направления движения
жидкости и осадка существуют два вида кон-
струкции ротора: прямоточная и противоточ-
ная. В прямоточной исходный продукт посту-
пает в начало цилиндрической части, и далее
жидкость и осадок движутся в одном направ-
лении вдоль барабана. В противоточной конст-
рукции продукт поступает от конической части
в месте соединения ее с цилиндрической ча-
стью. В этом случае жидкость и осадок дви-
жутся в барабане в противоположных направ-
лениях. В прямоточных конструкциях достига-
ется лучшая степень разделения, что подтвер-
ждает аналитическую оценку идеализирован-
ной модели центрифугирования. Однако по
комплексу эксплуатационных показателей про-
тивоточные центрифуги превосходят прямо-
точные. Поэтому современные центрифуги
имеют, как правило, противоточную схему
движения жидкости и осадка.
Исходный продукт по питающей трубе 14
поступает внутрь барабана 16 через отверстия
в приемно-распределительном устройстве (ПРУ)
и подается на вращающийся слой жидкости.
Жидкость движется вдоль цилиндрической час-
ти и винтовому межвитковому каналу (РУО),
где происходит осаждение из нее твердой фазы
с образованием осадка. Осветленная жидкость
выводится из торцовой части (УВЛ и У ВТ).
Осадок транспортируется шнеком в противо-
положном направлении (ВР1) и поступает в
коническую часть (УВО). Здесь происходит
отделение из осадка жидкости. Осадок через
разгрузочные окна сбрасывается (ВР2) в при-
емник осадка (ПОО) и направляется в произ-
водственные коммуникации. Осветленная жид-
кость выводится (ВР2 и ВРЗ объединены) ана-
логичным образом или под давлением до
0,2...0,3 МПа через напорно-выводное устрой-
ство (ПОЛ и ПОТ).
В зависимости от свойств осадка угол на-
клона образующей конуса к оси составляет
8... 10° (пологий конус) или 18...20° (крутой
конус). Крутой конус используют при центри-
фугировании пластичных и текучих осадков
типа осадков сточных вод. В этом случае шнек
снабжен специальным устройством - загради-
тельным диском, расположенным на шнеке в
месте перехода цилиндрической части в кони-
ческую. Это позволяет дополнительно увели-
чить уровень жидкости в цилиндрической час-
ти и уменьшить его в конической. Тем самым
улучшается качество осветленной жидкости и
увеличивается сухость осадка.
Важным параметром, определяющим со-
вершенство конструкции шнековых центрифуг,
является отношение длины барабана к его диа-
метру £/D . Удлинение цилиндрической части
машины ведет к увеличению поверхности оса-
ждения и, следовательно, к большему времени
осаждения и лучшему качеству разделения.
Это особенно важно для центрифуг, главной
задачей которых является осветление жидкости
(чистота фугата), а производительность по
осадку не является определяющей.
Шнековые осадительные центрифуги вы-
пускаются преимущественно с £>= 150... 1400 мм,
Z/Z) = 1,5...5,2, Fr =500... 10000. Их пропуск-
ная способность может достигать 300 м3/ч.
Одной из разновидностей шнековых цен-
трифуг являются фильтрующие ценрифуги,
которые используются в производствах, где
требуется максимальное извлечение твердых
частиц и удаление растворителей. Существует
несколько вариантов конструкции машин это-
го типа.
Наиболее простая из них представляет
собой вертикально или горизонтально распо-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
385
ложенный конический фильтрующий барабан,
внутри которого расположено винтообразное
направляющее устройство. Вращение барабана
и направляющего устройства осуществляется
от электродвигателя через редуктор с изменяе-
мым передаточным отношением в зависимости
от вида продукта. Исходный продукт поступа-
ет по питающей трубе в узкую часть конуса и
через приемно-распределительное устройство
отбрасывается на внутреннюю часть фильт-
рующего барабана, которая снабжена фильт-
рующим листовым ситом. Угол наклона обра-
зующей конуса к оси составляет 30...35°. В
зависимости от вида осадок притормаживается
или транспортируется шнеком от узкого конца
барабана к широкому.
Возможность регулирования времени
пребывания осадка в барабане - одно из основ-
ных преимуществ центрифуги такого типа.
Суспензия фильтруется под действием центро-
бежной силы сквозь стенку барабана, а осадок
выгружается через борт широкой части конуса.
В случае необходимости промывки осадка
моющая жидкость поступает перед широкой
частью конуса барабана. При этом маточная
жидкость должна уже отфильтроваться в узкой
части барабана.
Центрифуги такого типа используются
для легко разделяющихся суспензий, таких как
адипиновая и лимонная кислота, бикарбонат
натрия, хлористый натрий или калий, полиэти-
лен или полистирол, сахарная свекла, яблочное
и морковное пюре и др. Типичный размер час-
тиц исходного продукта составляет 0,1...0,5 мм,
концентрация суспензии 10...60 %. При этом
влажность выгружаемого осадка составляет
З...Ю%. Машины могут поставляться в обыч-
ном, паро- и газонепроницаемом исполнениях.
Фильтрующие центрифуги со шнековой вы-
грузкой осадка значительно проще и дешевле
аналогичных машин с пульсирующей или но-
жевой выгрузкой.
Главным их недостатком является из-
мельчение твердой фазы шнеком во время
транспортировки. Поэтому их не применяют,
если требования по размерному составу осу-
шенного осадка достаточно высокие. Фильт-
рующие шнековые центрифуги выпускаются
диаметром D = 300.. .800 мм, Fr = 2000.
Осадительная горизонтальная шнековая
центрифуга с фильтрующей секцией представ-
ляет собой стандартную шнековую машину, за
конической частью которой расположена
фильтрующая секция, в которой осуществляет-
13 — 8434
ся промывка осадка. Затем осадок движется во
вторую коническую секцию, в которой проис-
ходит его отжим и выгрузка.
У вертикальной осадительной машины
со сплошным (осадительным) барабаном
(рис. 6.71) ротор с барабаном 2 и шнеком 3
подвешен в верхней части, в которой находит-
ся привод 7, и имеется только одно верхнее
уплотнение, в отличие от трех у горизонталь-
ных машин. Такая конструкция позволяет ра-
ботать в условиях высоких температур (до
350 °C) и при давлении до 3,5 МПа.
Выпускаются вертикально-осадительные
шнековые центрифуги с диаметром D = 400...
850 мм, Fr = 2000...5000.
Рис. 6.71. Вертикально-осадительная
центрифуга
386
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
ЦРТ с рабочей поверхностью в виде ло-
пастей называют лопастными центрифугами.
Известны разработки таких центрифуг и ус-
пешная эксплуатация в производстве сахара.
Серийно, на регулярной основе лопастные
центрифуги для пищевых производств не вы-
пускаются ни отечественными, ни зарубежны-
ми производителями.
Расчеты осадительных шнековых цен-
трифуг. Основными расчетами шнековых цен-
трифуг являются:
технологический с определением произ-
водительности и мощности;
расчет на прочность с сопутствующим
ему расчетом критической скорости;
расчет подшипниковых узлов.
В случае необходимости проводят расче-
ты виброопор, приемного и выводного устрой-
ства, редуктора и привода, а также других де-
талей и узлов центрифуги.
При определении производительности
используется следующая идеализированная
схема процесса осаждения: частица должна
преодолеть всю толщину жидкостного кольца
потока в барабане и осесть на его внутренней
поверхности прежде, чем она, двигаясь вместе
с жидкостью, достигнет зоны выгрузки бараба-
на. Формула расчета производительности,
полученная на основе такой схемы, состоит из
двух сомножителей:
<2 = pzrpo,
где Z - сигма-фактор (индекс производитель-
ности), характеризует способность машины
разделять продукт или разделительную спо-
собность центрифуги; Грц - скорость осажде-
ния по Стоксу; р - коэффициент эффективно-
сти разделения, учитывающий несовершенство
условий процесса в конкретной машине для
конкретной среды, т.е. КПД работы по Бреме-
ру; Р =0,2...0,8. Такая большая поправка сви-
детельствует о существенном отличии прини-
маемых идеализированных расчетных моделей
от реальных условий разделения.
Имеются и другие конечные формулы
моделирования центрифуг, полученные анало-
гичным подходом. Так, если диспергирование
частиц при центрифугировании незначительно,
то при Fq = Ff2
Qi=Q2(Di/D2)2.
Если дисперсная фаза диспергируется
достаточно интенсивно либо используются
флокулянты, либо происходит смыв части
осадка, то решающим становится время пребы-
вания суспензии в барабане:
ei=e2(oi/o2)3-
Формулы справедливы при масштабном
коэффициенте меньше четырех [13].
Поскольку практически невозможно дос-
тичь полного геометрического и гидродинами-
ческого подобия всех параметров, показатели
эффективности оказываются разными, и по-
этому производительность рассчитываемой
машины уточняется опытным путем.
Такая теория осаждения имеет сущест-
венные ограничения и не учитывает: сжатия
осадка в барабане; изменения по радиальной
координате его концентрации; занимаемого
осадком пространства; зон турбулентного ре-
жима течения, рециркуляционных потоков;
несферичности осаждаемых частиц; влияния
концентрации на характер осаждения и др.
При расчете центрифуг необходимо
иметь в виду различие между пропускной спо-
собностью по разделяемой и получаемой жид-
кой фракции и пропускной способностью по
осадку. Под пропускной способностью подра-
зумевается режим захлебывания барабана с
перетеканием продуктов через непредусмот-
ренные для них каналы. Для горизонтальных
шнековых центрифуг - это предельная транс-
портирующая способность шнека:
Сос =яр0СА^5(/?б ~^ш),
где Дм - разность частот вращения барабана и
шнека, с'1; S - шаг шнека, м ; рос - плотность
осадка, кг/м3; R$ - радиус поверхности трения
осадка о барабан, м; 7?ш - наружный радиус
несущей трубы шнека, м.
Качество осветления оценивается пара-
метром эффективности разделения, или степе-
нью извлечения твердых частиц в центрифуге, %;
Срс (С°~Сф)100
с о (Сос—Сф )
где объемными или весовыми долями обозна-
чены концентрации: Сос - в осадке; Cq - в
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
387
исходной жидкости; Сф - в осветленной жид-
кости (фугат или фильтрат).
Практически при проектировании новой
центрифуги решается оптимизационная много-
критериальная задача определения ее стоимо-
сти. В качестве переменных выступают такие
параметры, как потребительский спрос или
потребности промышленности; производст-
венные возможности изготовителя, пользова-
теля, ремонтная база, унификация, имеющиеся
материалы и комплектующие с требуемыми
свойствами, организация производства с до-
пустимыми затратами и многое другое.
Для центрифуг, встраиваемых в техноло-
гические линии, их производительность опре-
деляется производительностью линий. Для
разрабатываемых производств производитель-
ность центрифуг, сепараторов должна основы-
ваться на экономическом расчете всего ком-
плекса проектируемого оборудования.
Расчет мощности зависит от типа цен-
трифуги [36]. Следует различать и учитывать
расход мощности при разгоне обычно порож-
него ротора /Упск, затраты мощности в рабо-
чем режиме центрифугирования Wp.
Для центрифуг расчет мощности обычно
ведут по величине Wp, учитывая кратковре-
менную пиковую нагрузку на двигатель в пе-
риод пуска. Основными составляющими рас-
ходуемой мощности являются затраты:
при раскручивании исходной жидкости на
входе, NBK =(0,1...0,4)Gcn((OrBX)2Д ;
при выводе осветленной жидкости,
(1,3...1,5)Сж((Огж)2/2, и осадка,
0,5NOC = (1,3...1,5)GOC (согос)2;
при подаче и выводе флокулянта, ?7фл
определяется аналогично 2VBX и 2УЖ, либо
учитывается в них самих суммированием рас-
хода;
в подшипниковых опорах, Non ;
при транспортировке осадка вдоль бара-
бана, iVTp;
на трение ротора о воздух (вентиляцион-
ные потери), 2УВЗД = (3...5)7Von ;
на вторичное касание о барабан отражен-
ных от неподвижных стенок корпуса уже вы-
брошенных из барабана продуктов, /VBTp,
которые учтены коэффициентами в состав-
ляющих 2УЖ и Noc .
Здесь Gi - массовая производительность
по ьму продукту; г,- - радиус сброса Z-го про-
дукта элементов барабана центрифуги; О) -
угловая скорость барабана. Определение со-
ставляющих Non и приведено в [36].
Следует иметь в виду, что в стационар-
ном режиме работы составляющая 2VBX отра-
жает потери мощности при раскручивании
жидкости, но не мощность, израсходованную
на создание собственно кинетической энергии
вращающегося потока. Последняя составляет
основную часть /Уж и Noc без их коэффици-
ентов. Если производится напорный вывод
жидкости, то коэффициент при 2УЖ может
измениться.
Таким образом, расходуемая мощность
=Ц^/Ппр =
=(ЛГвх + + Noc + Мфл + NTp + А^взд )/Лпр ’
где Т|пр - КПД привода.
В зависимости от типа центрифуги энер-
гетический баланс может иметь и другие со-
ставляющие.
Выбор двигателя производится после
расчета мощности и определяется следующим
правилом: мощность электродвигателя должна
быть на один типоразмер больше расчетной.
Например, если расчетная мощность составила
15 кВт, то установленную необходимо принять
равной 18,5 кВт. Это связано с тем, что при
серийном производстве машин невозможно
учесть все особенности ее эксплуатации. Пуск
новой центрифуги с новым смазочным мате-
риалом, работающей при невысоких темпера-
турах, может быть достаточно длительным.
Иногда из-за недостаточной мощности машина
даже не может достичь рабочей скорости. Вы-
сокая рабочая температура и частые повторные
пуски могут привести к перегреву электродви-
гателя и включению его термозащиты. С уче-
том пуска декантера по системе звезда - тре-
угольник установленную мощность его двига-
теля обычно принимают на один типоразмер
выше, чем для машины с фрикционными или
гидравлическими муфтами. При первой систе-
13*
388
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
ме пуска сила пускового тока обычно в 2,3 раза
выше номинальной.
С точки зрения потребителя главным па-
раметром является удельная потребляемая
мощность (на 1 м3 разделяемой жидкости). Для
шнековых горизонтальных центрифуг малого и
среднего размера она составляет 0,8... 1,0
кВт/(м3ч), для машин с диаметром более
600...700 мм этот удельный показатель равен
1,0... 1,3 кВт/(м3ч).
Расчеты на прочность барабана, виброи-
золяции, выбор подшипников близки к их ти-
повым расчетам, изложенным в специальной
литературе.
Расчеты фильтрующих центрифуг пе-
риодического действия. В пищевых произ-
водствах нашли применение в основном
фильтрующие центрифуги периодического
(циклического) действия. В аналитических
исследованиях по их работе выделяют два ос-
новных режима: 1) при постоянной подаче
суспензии, Q = const; 2) при постоянном
давлении фильтрования, Др = const . Однако
практически при наборе осадка и даже в стадии
промывки эти условия строго не соблюдаются.
Для наиболее быстрого набора максимально
возможного объема осадка в барабане и пре-
дотвращения перелива целесообразно соблю-
дать постоянную подачу суспензии в пре-
делах расчетных интервалов времени А/,-.
Каждый интервал времени имеет свое значение
подачи: наибольшее в первом интервале и
наименьшее в последнем [31]. Общее время
набора осадка Т = / Д; .
Рис. 6.72. Расчетная схема фильтрующей
центрифуги периодического действия
Наиболее просто центрифугирование
реализуется в барабане с цилиндрической
фильтрующей поверхностью при постоянной
производительности по фильтрату, при
О\ = const , а также постоянных свой-
ствах суспензии, ее фаз и осадка. При малом
сопротивлении фильтрующей перегородки
наименьшая производи!ельность по фильтрату,
начиная с которой перед осадком появляется
напорное кольцо жидкости, м3/с,
0фш1п = 2jt(£/v)(0 /?фЬф ,
где к - коэффициент проницаемости осадка,
2
м ; V - кинематическая вязкость дисперсион-
ной среды, м2/с; со - угловая скорость бараба-
на рад/с; 7?ф и Ьф ~ Lu - соответственно
радиус и длина фильтрующей цилиндрической
поверхности барабана, м.
В процессе фильтрования при (2ф mjn
перед осадком постепенно нарастает осадок и
напорное кольцо жидкости (рис. 6.72). Для
предотвращения неравномерности по окруж-
ной координате набора осадка желательно
поддерживать определенную толщину напор-
ного кольца жидкости перед осадком. Объем
накапливаемого осадка определяется режимом
работы либо условием предотвращения пере-
лива жидкости через сливной борт или окна
барабана по окружности радиуса rc . 11ослед-
нее условие можно выразить как
r0min = 0С/?п,
где ~ радиус внутренней поверхности на-
порного кольца жидкости перед осадком, м;
Rn - радиус перелива, м; а > 1 - коэффициент
предотвращения перелива.
Интервал времени подачи суспензии с
получением постоянной производительности
по фильтрату 2фтт
Тф = 0,5[(1 - С)/С](1 -e)(v/*)x
(2 \ / 2
1 — (гостт/^ф) //W ’
где С - объемная концентрация твердых час-
тиц в суспензии, подаваемой на разделение,
£ - коэффициент объемной пористости осадка.
Величину rocmjn подсчитывают в этом
случае по формуле
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
389
rocmin — О,57?ф ехр^((х/?п ) /^ф 1]»
либо задают по условиям регламента процесса.
Объем накопленного в барабане осадка
Кэс — (rocmin) _]^ф-
Полное время цикла
— ^ф + ^пр + тс + ’
где интервалы времени на промывку осадка
ТПр , его сушку тс и выгрузку Тр являются
технологическими и определяются опытным
путем.
Затрачиваемая мощность изменяется во
время цикла. Как и для шнековых осадитель-
ных центрифуг, рассчитывают отдельно мощ-
ность, расходуемую во время пуска NnCK цен-
трифуги и мощность в рабочем режиме Wp .
Мощность пуска WnCK затрачивается на
разгон с порожним барабаном, потери на тре-
ние в подшипниках и приводе, вентиляцион-
ные потери.
Мощность, затрачиваемая в рабочем ре-
жиме Wp , расходуется на кинетическую энер-
гию вытекающего из барабана фильтрата, по-
тери в подшипниках и приводе, вентиляцион-
ные потери. Здесь также должны быть учтены
потери на повторное создание кинетической
энергии фильтрата, отраженного от стенок
неподвижного корпуса, вновь на вращающийся
барабан. Потери мощности на трение можно
принять одинаковыми при пуске и рабочем
режиме. Мощность электродвигателя подби-
рают по Wp с учетом возможной кратковре-
менной пусковой перегрузки NnCK.
Классификация и принцип действия
сепараторов. Единая классификация сепара-
торов с иерархически подчиненными призна-
ками отсутствует. Деление сепараторов удобно
проводить по их назначению, т.е. по виду того
действия, в результате которого получают
фракцию основного продукта (рис. 6.73):
получение очищенной дисперсионной
среды, фугата (почти всегда в условиях превы-
шения плотности дисперсной фазы над плот-
ностью дисперсионной среды) осуществляют в
осветлителях (кларификаторах, очистителях);
Рис. 6.73. Классификация сепараторов по назначению
390
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
получение концентрированной легкой
дисперсной фазы, как правило, из эмульсий,
проводят в сепараторах-разделителях (концен-
траторы) и нормализаторах (стандартизаторы);
получение концентрированной тяжелой
дисперсной фазы - из суспензий в сгустителях,
из эмульсий - в пурификаторах.
Концентрированная дисперсная фаза
эмульсии может коалесцировать, т.е. создавать
непрерывную среду с образованием в ней дис-
персной фазы из остатков дисперсионной сре-
ды. Это может происходить, например, при
сепарировании жидких масел с примесями
воды.
В пищевых производствах осветлители
(кларификаторы) называют очистителями, что
характеризует главную задачу - получение
очищенного фугата, например, очищенного
молока.
В концентраторах молоко разделяют на
обезжиренное молоко и сливки. В пищевой
промышленности такие сепараторы называют
разделителями. Нормализаторами (стандарти-
заторами) называют машины, в которых при
разделении часть фракции дисперсной фазы
направляется в фугат для получения в послед-
нем требуемого, стандартного процентного
соотношения фаз, например, молока заданной
жирности.
Сгустители используются, например, для
отделения творожного сгустка от сыворотки в
линиях производства творога. Для повышения
степени сгущения и предотвращения забивания
сопел в сгустителях применяют рециркуляцию
сгущенной твердой фазы, например, в сепара-
торах для крахмало-паточной промышленно-
сти. В разделителях и сгустителях важными
параметрами одновременно являются степень
сгущения дисперсной фазы и эффективность
удаления ее из сепарируемой жидкости, т.е.
достигаемая степень чистоты фугата.
Для одновременного выполнения допол-
нительных операций, как правило, совместно с
концентрированием, служат комбинированные
(универсальные) машины. К комбинированным
машинам относятся сепараторы-экстракторы и
сепараторы-реакторы для осуществления хи-
мических реакций, а также сепараторы-гомо-
генизаторы (кларификсаторы), в которых осу-
ществляют дробление крупных частиц дис-
персной фазы, и классификаторы для получе-
ния фракций классифицированной дисперсной
фазы. Наличие рециркуляции в нормализато-
рах и сгустителях, осуществление в разделите-
лях и пурификаторах операции очистки как
дополнительной, может служить основанием
для отнесения этих машин к комбинированным
(универсальным).
Если нет пенообразования или нежела-
тельной деструкции, то обеспечение выгрузки
фугата и других жидких фракций обычно не
представляет трудностей для конструктора.
Проблемной часто становится выгрузка из ба-
рабана сепаратора осадка или сгущенной тяже-
лой фракции, практически всегда - высокона-
полненной суспензии. От вида получаемого
осадка зависят условия его вывода во времени
и используемые для этого устройства, что во
многом характеризует технический уровень
ЦРТ и определяет выбор ее типа. Именно опе-
рация выгрузки осадка может ограничивать
рабочие параметры сепаратора.
Классификация сепараторов по виду
устройств выгрузки осадка и сгущенной твер-
дой фазы представлена на рис. 6.74. Общим
классификационным основанием принят ха-
рактер работы сепаратора во времени: перио-
дический (полная остановка ротора и ручная
выгрузка фракции осадка), циклический (инер-
ционная выгрузка на ходу через циклически
открываемые поршнем периферийные разгру-
зочные щели), непрерывный (инерционная
выгрузка на ходу через переливной борт грави-
тационной шайбы или сопла).
В периодических машинах осадок скап-
ливается в глухом шламовом пространстве
барабана. После накопления определенного
объема осадка сепаратор останавливают, раз-
бирают и освобождают от осадка. Затем бара-
бан моют, производят сборку и вновь пускают,
что делает сепараторы малопроизводительны-
ми, и поэтому их используют при сепарирова-
нии жидкостей с малым содержанием тяжелой
дисперсной фазы. В основном - это разделите-
ли (концентраторы), реже - очистители.
В циклически работающих машинах оса-
док скапливается в шламовом пространстве
при закрытых поршнем периферийных окнах
или кольцевой щели. После накопления опре-
деленного объема осадка по сигналу датчика
уровня осадка или по истечении заданного
интервала времени подается команда на опус-
кание поршня. Открывается на весьма корот-
кое время разгрузочная щель, и осадок выбра-
сывается из барабана под действием центро-
бежных сил инерции. В некоторых машинах на
время выгрузки осадка прекращается подача
жидкости на разделение. Поршень возвращает-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
391
Сепараторы
(по виду устройств выгрузки осадка и сгущенной твердой фазы)
Периодические
Циклические
(полунепрерывные)
Непрерывные
Ручная
выгрузка
Инерционная
выгрузка
Инерционная
выгрузка
Барабан с
глухим ШП
Поршень,пере-
крывающий
периферийные
отверстия или щели
ШП барабана
Барабан с
соплами
С поршнем и
соплами
Барабан с
переливным
гравитационным
диском
Комбиниро-
ванная выгрузка
(механическая с
инерционной)
Барабан со
шнеком и
соплами
Рис. 6. 74. Классификация сепараторов по виду устройств
выгрузки осадка и сгущенной твердой фазы
ся на прежнее место, процесс сепарирования
продолжается. Период накопления осадка со-
ставляет 5...30 мин, период выгрузки - доли
секунды. Поэтому такая работа сепаратора
называется циклической. Машины с цикличе-
ской выгрузкой осадка составляют основную
долю в общем парке сепараторов. Практически
любая жидкость содержит некоторую долю
тяжелой дисперсной фазы, часто в виде ненуж-
ных примесей. Поэтому сепараторы такого
типа делают любого назначения.
При непрерывной работе осадок, соби-
рающийся в шламовом пространстве, непре-
рывно выводится из сепаратора через сопла
или через переливной борт гравитационной
щайбы. Сепараторы с сопловой выгрузкой ис-
пользуются при образовании в шламовом про-
странстве текучей фракции осадка. К этому
типу в основном относятся сгустители.
Сепараторы с гравитационным диском
для перелива через его внутреннюю кромку
переливного борта производят с целью сниже-
ния деструкции частиц при выводе сгущенной
фракции.
Если кроме текучего осадка в шламовом
пространстве собирается осадок, склонный к
зависанию, то имеются сепараторы с перифе-
рийными щелями (окнами) для циклической
выгрузки и с соплами.
Комбинация механической выгрузки с
инерционной применяется для липких осадков.
В нормативных документах используется
также деление сепараторов по условию кон-
такта разделяемой жидкости и полученных
жидких фракций с окружающей средой:
в открытых сепараторах подаваемая на
разделение жидкость самотеком поступает в
барабан, и получаемые жидкие фракции вы-
брасываются из барабана свободно через пере-
ливной борт (каналы) или из сопла (сопел);
в полузакрытых сепараторах полученные
жидкие фракции выводятся из барабана с по-
мощью напорных устройств под давлением в
отводящие коммуникации;
В герметичных сепараторах подвод ис-
ходной жидкости на разделение и отвод полу-
ченных фракций осуществляются под напором
и без контакта с окружающей средой.
Сепараторы любого типа (рис. 6.73 и
6.74) могут быть выполнены открытыми, полу-
закрытыми или герметичными, при этом стои-
мость существенно увеличивается от открытых
к герметичным.
392
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
В сепараторе-очистителе полузакрыто-
го типа типовой конструкции (рис. 6.75) на
основании 1 установлен ротор с барабаном для
разделения жидкости и привод источника
внешней энергии (ПВЭ). Барабан 5 ротора кре-
пится в опорах 17 и 19 на вертикальном валу -
веретене 18. Вал электродвигателя 14 связан с
веретеном 18 горизонтальным валом через
центробежную фрикционную муфту и зубча-
тую винтовую мультиплицирующую пару 2.
Верхняя, горловая опора 17 подпружинена
в радиальном направлении пружинами 3 для
плавного преодоления критических скоростей
сепаратора при разгоне и останове. В барабане
на вставкодержателе 13 закреплен пакет 8 се-
парирующих тарельчатых вставок с дистанци-
онными планками, определяющими величину
межтарелочных зазоров (МТЗ). МТЗ пакета
являются зоной наиболее тонкого разделения.
В камерных сепараторах устанавливаются ци-
линдрические сепарирующие вставки. Между
барабаном и периферийной частью пакета име-
ется кольцевой полый объем для накопления
осадка - шламовое пространство 7.
Во внутренней полости вставкодержателя
установлена питающая труба 10 - подающее
устройство (ПДУ). Для напорного вывода фу-
гата в напорной камере 9 барабана имеется
неподвижный напорный диск 12.
В сепараторах с инерционной выгрузкой
осадка периферийную часть шламового про-
странства часто выполняют биконической с
периферийными окнами для выгрузки осадка,
Рис. 6.75. Сепаратор-очиститель
полузакрытого типа
перекрываемым изнутри поршнем-днищем 15.
При промежуточном или наружном поршне
шламовое пространство может выполняться в
виде разделенных пирамидальных объемов,
обращенных своими основаниями к оси бара-
бана. Тогда окна выгрузки осадка делают в их
вершинах. Для управления положением порш-
ня 75 применяют различные конструкционные
решения. Принцип их работы сводится к пода-
че жидкости, называемой буферной, под пор-
шень и ее кратковременному сливу в период
разгрузки шламового пространства от осадка.
В корпусе 16 напротив окон выгрузки
осадка имеется приемник 6 осадка, часто с
циклоном 14. который предназначен для гаше-
ния скорости выбрасываемого осадка с после-
дующим гравитационным стеканием по цен-
тральному патрубку циклона. Шламовое про-
странство 7 вместе с окнами выгрузки осадка и
поршнем-днищем 15. а также напорная камера
9 являются элементами устройств выгрузки
фракций (УBi) из барабана.
Приемник осадка 6 с циклоном 14. а так-
же напорный диск 12 являются элементами
приемно-отводящих устройств (ПОЛ и ПОТ)
из сепаратора.
После включения электродвигатель с по-
мощью центробежной муфты горизонтального
вала и мультиплицирующей пары 2 постепенно
раскручивает ротор до рабочей частоты п =
= 350- -800 с"1 за 2. . . 10 мин.
Сепаратор имеет несколько частот собст-
венных колебаний. Наиболее опасную, первую,
низшую, он проходит достаточно медленно.
Однако наличие упругой горловой опоры 17
ограничивает амплитуды колебаний сепаратора
в допустимых пределах (примерно 0,5 мм).
Затем под поршень-днище 75 подают буфер-
ную воду. Гидростатическое давление буфер-
ной воды поднимает поршень-днище 75, в ре-
зультате чего он перекрывает окна в шламовом
пространстве. Затем по питающей трубе 10
(ПДУ) подается разделяемая жидкость (опера-
ция ПД2), которая при установившемся режиме
сначала поступает в полость вставкодержателя
13 (ПРУ, операция ПР1). где начинает раскру-
чиваться (операция ПР2). Растекаясь под ним,
она подходит к периферии нижнего края паке-
та 8 и движется вдоль него восходящим тон-
ким, кольцевым слоем (чулком), затекая в МТЗ
по всей высоте пакета (РУц операция ПРЗ).
Течение жидкости обеспечивается перепадом
давлений за счет различия радиусов ее свобод-
ных поверхностей на входе и выходе, в герме-
тических сепараторах с напорными подачей и
выводом - перепадом их давлений.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
393
Первичное и оеновное выделение дис-
переной (твердой) фазы происходит из потока,
вытекающего из зоны раскручивания ПРУ,
огибающего пакет вставок и восходящего
вдоль него (операция РО1). Разделение в пото-
ке существенной толщины соответствует объ-
емному разделению (POi) можно считать пред-
варительным (форразделение), поскольку из
потока практически не выводятся самые мел-
кие частицы, определяющие требуемый конеч-
ный процент дисперсной фазы в фугате. Выде-
ленная часть дисперсной фазы скапливаются в
шламовом пространстве в виде тяжелой фрак-
ции. В тонкие параллельные слои МТЗ по всей
высоте пакета жидкость втекает с остатками
наиболее мелкой (тонкой) части взвеси твердой
фазы. Здесь (в РУ1) происходит наиболее тон-
кая очистка жидкости (операция РС2 - в пакете
условия среднеобъемного разделения).
По характеру движения дисперсной фазы
в МТЗ выделяют два этапа:
1) осаждение частиц из потока жидкости
до момента касания ими внутренней поверхно-
сти конических сепарирующих вставок (опера-
ция среднеобъемного разделения РС2\,
2) сползание осевшей твердой фазы к
краю пакета (операция РСЗ).
Следует иметь в виду возможность вто-
ричного захвата сбрасываемых из МТЗ мелких
частиц восходящим «чулковым» потоком и
увлечение их в расположенные выше зазоры.
Сброшенный с поверхности сепарирующей
вставки (тарелки) осадок попадает в восходя-
щий вдоль пакета достаточно тонкий поток
жидкости («чулковое» течение толщиной
0,5...2 см), в котором продолжается своя опе-
рация РО1. Вместе с тем уже выделенная в
пакете дисперсная фаза вновь оказывается в
условиях первичного разделения (операция
РО1). Окончание операции РСЗ является нача-
лом операции сброса в шламовое пространство
7 (операция ВР1 для садка).
Считается, что самой крупной тяжелой
частицей из оставшихся в потоке после его про-
текания через пакет будет та, которая при втека-
нии потока в МТЗ будет располагаться у наруж-
ной поверхности лежащей ниже вставки, а при
вытекании потока из МТЗ окажется непосредст-
венно у внутренней поверхности лежащей выше
вставки, не осев на ней. Частицы наименьшего
размера, полностью выделенные из потока, на-
зываются предельными, а их диаметр - пре-
дельным. Вслед за осаждением (этап 1 - опера-
ция РС2) центробежные силы инерции должны
заставить тяжелую частицу двигаться в сторону
больших радиусов к выходу из МТЗ (этап 2 -
операция РСЗ), преодолевая лобовое сопротив-
ление потока и трение о поверхность вставки.
Крупные частицы сползают по вставке раздель-
но. Для них операция РСЗ не вносит ограниче-
ний. Мелкие образуют текучий осадок, медлен-
но ползущий по поверхности вставки. В этом
случае операция РСЗ может ограничивать при-
менимость сепараторов или их производитель-
ность. При относительно жестких осадках очи-
стка МТЗ происходит отрывом наросшего до
определенной толщины неподвижно осевшего
осадка от поверхности вставки мелкими пла-
стинками, «чешуйками». Прочные осадки не
выгружаются, и МТЗ постепенно зарастают
осадком. Поэтому для сепарирования жидко-
стей, дающих прочные осадки, сепараторы не-
пригодны (операция РСЗ не позволяет исполь-
зовать сепаратор).
Очищенная жидкость (фугат) движется
по вертикальным каналам между тарелкодер-
жателем 13 и пакетом 8 и поступает в камеру 9
барабана (операция ВР1 для фугата) и тормо-
зится неподвижным напорным диском 12, вте-
кая в него (операция ВР2 для фугата). При этом
кинетическая энергия вращения фугата в каме-
ре 9 превращается в потенциальную энергию
напора в диске 12, и фугат под давлением, вы-
текает из сепаратора по отводному патрубку 11
(операция ВРЗ для фугата). В таких конструк-
циях развивается избыточное рабочее давление
(0,2...0,6) МПа.
Осадок скапливается на наклонных по-
верхностях барабана, стекает по ним в перифе-
рийную свободную часть шламового простран-
ства 7 (операция ВР1 для осадка). После запол-
нения его осадком открывают на короткое вре-
мя (от долей секунды до нескольких секунд)
периферийные окна (щели) выгрузки. Это про-
исходит за счет кратковременного изменения
режима подачи буферной жидкости 4 быстрым
ее сливом из-под поршня 15, в результате чего
он опускается. Инерционные силы выбрасыва-
ют осадок сначала в приемник 6 осадка (опера-
ция ВР2 для осадка), а затем через циклон 14 -
из сепаратора (операция ВРЗ для осадка).
Буферная жидкость вновь заполняет по-
лость под поршнем-днищем, поднимая его и
закрывая окна выгрузки. Процесс сепарирова-
ния продолжается.
Основная отличительная особенность се-
паратора-разделителя (концентратора) от сепа-
ратора-осветлителя заключается в наличии у
первого выводов для двух жидких фракций
(УВЛ с ПОЛ, а также У ВТ с ПОТ), а также
кольцевого ряда питающих отверстий в осно-
вании встав кодержателя и в тарельчатых
394
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
вставках (ПРУ). Отверстия расположены по
окружности некоторого радиуса, называемого
радиусом нейтральной поверхности гн . Эти
отверстия образуют в пакете вертикальные
питающие каналы для подвода разделяемой
жидкости в МТЗ (операция ПРЗ).
В современных сепараторах-разделителях
эмульсию подают в полость вставкодержателя
(операция ПД2). Через отверстия в его основа-
нии и питающие каналы (ПРУ) она растекается
по МТЗ всего пакета (операция ПРЗ). Вследст-
вие значительной частоты вращения ротора
считают, что основное разделение жидкости на
фракции происходит уже в зоне цилиндриче-
ского слоя радиуса гн (операция РО1). Тяже-
лая фракция (тяжелая жидкость с остатками
легкой дисперсной фазы) втекает в МТЗ рав-
номерно по всей высоте пакета и течет к его
периферийной части расходящимся потоком;
легкая фракция (легкая жидкая фаза с остатка-
ми тяжелой) оттесняется во внутреннюю часть
пакета и течет сходящимся потоком в сторону
оси вращения. Выделение частиц легкой фазы
из потока тяжелой фракции также рассматри-
вают как двухстадийное: 1) осаждение легкой
частицы на наружной поверхности тарельчатой
вставки (операция РС2); 2) движение легкой
частицы во встречном потоке к окружности
радиуса гн (операция РСЗ). Во внутренней
части пакета, где г < гн, происходит отток
более тяжелой жидкости в направлении от оси
вращения к окружности радиуса гн (операции
РС2 и РСЗ). Механизм этого оттока не изучен.
Однако, если достаточна получаемая степень
концентрирования, он слабо влияет на пара-
метры, лимитирующие работу сепаратора.
Сепараторы-сгустители имеют по пери-
ферии шламового пространства сопла или от-
водные трубки для фракции сгущенной дис-
персной фазы. Они применяются в пищевой
промышленности для сгущения дрожжей и
крахмалопродуктов для пищевых целей и для
производства кормовых дрожжей из непищево-
го сырья. В сепараторах-сгустителях отсутст-
вует резкая граница раздела между разделен-
ными фракциями. Концентрация тяжелой
фракции нарастает к периферии шламового
пространства, откуда она выводится непрерыв-
но (операция ВР1). Питающие каналы перифе-
рийной части пакета выполняют по окружно-
сти радиуса нейтрального слоя гн , в котором
предполагается, что концентрация тяжелой
фазы еще близка начальной в потоке жидкости,
поступающей на разделение.
Вид сепарирования во внутренней части
пакета, в зоне г < гн, такой же, как в очисти-
тельных пакетах. Механизм сгущения, концен-
трирования тяжелой дисперсной фазы, недос-
таточно изучен. Если степень сгущения оказы-
вается недостаточной, то сгущенную фракцию
направляют в следующий сепаратор на по-
вторное сепарирование либо частично возвра-
щают в тот же барабан. Напрашивающееся
вместо повторного сепарирования простое
конструкционное решение: уменьшить диаметр
выходного канала сопел или их число, нера-
ционально, так как приводит к быстрому заби-
ванию сопел и неравномерному распределению
осадка по периферии шламового пространства.
Рациональным решением оказывается подача
возвращаемой сгущенной фракции (рецирку-
ляция) в шламовое пространствао непосредст-
венно в зону перед соплом. Этим предупреж-
дается зависание сгущенной фракции в бараба-
не, а также уменьшается выброс из сопел той
части дисперсной фракции, которая поступила
на разделение с первичным потоком суспензии.
Сгущенные фракции, склонные к зависа-
нию во вращающемся барабане, выводят через
короткие сопла, направленные от оси враще-
ния. Достаточно легко текущие сгущенные
фракции отводят из периферийной части через
трубки к соплам (дроссельным головкам), рас-
положенным по окружности меньшего радиу-
са. Этим достигают снижения кинетической
энергии, выбрасываемой из барабана фракции.
В результате снижаются энергетические затра-
ты и деструкция твердой фазы при ударе ее
частиц о стенку приемной камеры кожуха сепа-
ратора. Имеются машины с аксиальной, а также
с комбинированной выгрузкой осадка [30].
Расчеты сепараторов. Важным показа-
телем сепараторов является величина уноса
(потерь) дисперсной фазы с фугатом. В этой
связи производительность сепараторов рассчи-
тывают по первой стадии сепарирования -
осаждению в потоке фугата, текущего в зазоре
между сепарирующими вставками. Считается,
что частица дисперсной фазы, твердая или
жидкая, осев на поверхность осаждения, уже не
возвратится в поток. Расчет ведут с помощью
формулы Бремера [1]:
Q = pgzr = p(7r/27)w2ztga х
x(^max — ^min )Ир|^ч А)ж >
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
395
где Q - производительность по фугату, м3/ч;
z - число МТЗ; d4 - наименьший диаметр
частиц, полностью выделенных из потока раз-
деляемой жидкости, м; а = 40...60° - угол
наклона образующей тарельчатой вставки к
плоскости ее основания; 7?тах и 7?т,п - со-
ответственно наибольший и наименьший ра-
диусы, занимаемые потоком разделяемой жид-
кости в МТЗ, м; рж, рч, Др = рч -рж -
плотность соответственно дисперсной фазы,
дисперсионной среды и разность между ними,
кг/м3; Т = |Др|Jq /(18дж ) - разделяемость
смеси, с.
Формула Бремера выведена для идеали-
зированного случая постоянного по толщине
ламинарного потока, имеющего одинаковую с
пакетом угловую скорость, при нестесненном
осаждении по Стоксу одиночных сферических
частиц [29]. Для реальных конструкций сте-
пень несовпадения с идеальными условиями
вывода формулы скорректирована поправоч-
ным коэффициентом технологичности, или
технологическим КПД Р = 0,2...0,8 . В форму-
ле необходимо принимать /?mjn , равным ра-
диусу окружности внутреннего контура кони-
ческой поверхности в пакетах, не имеющих
питающих каналов, или, при наличии питаю-
щих каналов, равным радиусу окружности гн ,
по которой те располагаются.
Предельный диаметр частицы d4 назна-
чают по требуемому остаточному содержанию
дисперсной фазы к|/ф , например жира в фуга-
те. Связь между этими параметрами продуктов
сепарирования может быть задана в виде таб-
лиц или графиков, либо выявляется экспери-
ментально. На рис. 6.76 показана эксперимен-
тальная зависимость между остаточным со-
держанием дисперсной фазы в фугате (%) и
размером t/4 = t/np ее предельно выделяемой
частицы. Погрешность в виде неучета некото-
рой массовой доли реально выделяемых частиц
меньшего чем d4 размера невелика.
Исследование гидродинамики потоков в
зазорах между сепарирующими вставками (зо-
на наиболее тонкого разделения) имеется в
работах [31, 36]. Для сравнения сепараторов
может быть использован вместо аналитически
полученного критерия Е его эксперименталь-
ный аналог KQ (кей-кю):
№ = 412 0 (»/6 ООО) ’’5 zctga(«2’a7x5 - «V5 )•
Следует отметить, что KQ не является
формулой производительности. Критерий
KQ/g не может быть использован для срав-
нения с полочными отстойниками, поскольку
не имеет размерности поверхности. Критерий
KQ, как и критерий Е . используют для коли-
чественной оценки сопоставляемых сепарато-
ров.
При сравнительном подборе барабана се-
паратора может быть использовано условие
расчетного сепарирования Бремера, Ф,Е, = 1,
которое для двух сравниваемых сепараторов и
разделяемых жидкостей (i = {1;2}) дает
Ф2 =Ф1 Ех/Е^ 9
где Фу = g^lQ - механический разделяющий
фактор как комплекс конструкционных пара-
метров пакета разделяющих вставок сепарато-
ра, получаемый непосредственно из аналити-
ческого решения задачи осаждения взвеси в
движущемся потоке. При этом параметр разде-
ляемости смеси Ej может определять осажде-
ние как одиночной частицы, так и коллектив-
ное: частиц произвольной формы.
При подборе сепаратора может быть ис-
пользован также параметр Е по результатам
сепарирования модельной суспензии, эмульсии
в сепараторе, аналогичном подбираемому:
Qn/QM = (P„gS£)n/(PMgSE)M =S„/SM ,
где индексы «п» и «м» относятся соответст-
венно к проектируемому и модельному сепара-
тору. Обычно принимают Рп = Рм •
Рис. 6.76. Экспериментальная зависимость
жирности обезжиренного молока (%)
от предельного диаметра d„n жирового шарика
396
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Сползание в МТЗ осевшей фазы по кони-
ческой поверхности к краю пакета оказывает в
некоторых случаях существенное влияние на
рабочую производительность, заметно ограни-
чивая ее значение, рассчитанное по условиям
осаждения. Однако надежные количественные
рекомендации, обоснованные аналитически
или экспериментально, отсутствуют. Следует
также отметить возможность вторичного за-
хвата «чулковым» потоком сбрасываемого из
МТЗ осадка, что может оказаться особенно
заметным в нижней части пакета сепараторов.
В барабанах с пакетами, имеющими пи-
тающие отверстия, необходимо иметь вполне
определенное соотношение между радиусами
окружностей нейтрального слоя гн и свобод-
ных поверхностей легкой фракции гл , тяже-
лой фракции гт и исходной жидкости гж .
Положение гт в пакете определяется
требованиями качества сепарирования, так как
оно формирует путь осаждения дисперсной
фазы. В открытых сепараторах-разделителях
конструкционно задают гж. В герметических
конструкциях учитывается давление подачи
исходной жидкости. Пренебрегая гидравличе-
скими потерями, величины гл и гт определяют
из гидравлических закономерностей (рис. 6.77):
Gi = -PcGh -'•ж)/рл]/
и
'¥=['•„ -РлО^-'-дУрт]7 •
Рис. 6.77. Расчетная схема
для определения г,- в барабане сепаратора
В открытых сепараторах малой произво-
дительности величину гл можно изменять в
некоторых пределах за счет винтового соеди-
нения с корпусом барабана патрубка слива
легкой фракции. В конструкциях с напорными
камерами и дисками эту функцию выполняют с
помощью вентилей противодавления в отвод-
ных патрубках. Имеются гакже методики рас-
чета Г/ с учетом гидродинамики внутриро-
торных потоков.
Мощность привода рассчитывают, как и
для центрифуг, отдельно по пусковому и рабо-
чему режимам. Мощность и тип двигателя
подбирают по расчетному значению мощности
с учетом пусковых перегрузок. При этом сле-
дует учитывать большую длительность разгона
(до 5 мин и длительнее) вследствие высокой
инерционности и рабочей частоты вращения
роторов. В промышленных сепараторах прак-
тически всегда используют встроенные насосы
(напорные диски и камеры), а также сопла для
выгрузки жидких разделенных фракций и сгу-
щенных осадков. Работа этих устройств связа-
на с затратами существенной доли подводимой
энергии. Кроме того, вследствие высокой час-
тоты вращения весьма существенны потери
мощности от трения барабана сепаратора о
воздух. Расчет мощности аналогичен приве-
денному выше для центрифуг.
Проблемы, тенденции в новых разра-
ботках. Существует несколько основных на-
правлений развития центрифугальной техники.
Условно эти направления можно разделить на
внутреннее и внешнее.
Внутреннее направление развития связа-
но с совершенствованием гидродинамических
процессов центробежной разделительной тех-
ники. Совершенствование приемно-распре-
делительного устройства направлено на повы-
шение его пропускной способности и устране-
ние проблем, связанных с возникновением
больших касательных напряжений в жидкости
при ее интенсивном раскручивании. Усовер-
шенствования в барабане связаны с улучшени-
ем условий разделения и повышением произ-
водительности. Например, использование спи-
ральных планок вместо прямых позволяет
улучшить разделение в сепараторе. Кроме того,
спиральные перегородки, в том числе и планки,
позволяют перейти к плоским разделяющим
вставкам, что дает возможность исключить
операцию раскатки при изготовлении вставок.
Пеноотводящие колпаки, усовершенствования
конструкции приемного устройства и камер
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
397
напорного диска улучшают результаты сепари-
рования. Улучшает результаты центрифугиро-
вания установка в шнековой центрифуге оса-
дительной вставки в зоне осветления или спе-
циальных окон, расположенных соосно виткам
по внутреннему диаметру шнека. Применение
специальных конструкций шнека типа Киви,
позволяет снизить трение и уменьшить влаж-
ность осадка.
К факторам, способствующим улучше-
нию разделяемости, можно отнести такие, как
температура, различные химические добавки, а
также добавки других продуктов.
Повышение температуры приводит к
снижению вязкости. Так, эффективное разде-
ление жироводнььх смесей в мясном и рыбном
производстве возможно только при нагреве их
до температуры 90... 100 °C.
Использование специальных химических
добавок, влияющих на агломерацию частиц,
может интенсифицировать процесс разделения.
Как правило, это нейтральные вещества, сни-
жающие поверхностное натяжение. Существу-
ет много видов различных деэмульгаторов,
коагулянтов и флокулянтов, эффективность
применения каждого из которых определяется
опытным путем. Например, при центрифуги-
ровании сточных вод широко используются
флокулянты. Однако все эти приемы по улуч-
шению разделяемости продукта в пищевой
промышленности можно использовать далеко
не всегда.
Существует много различных нетиповых
конструкций центрифугальной роторной тех-
ники. Однако по различным причинам только
немногие из них выпускаются серийно. Как
правило, они разрабатываются для специаль-
ных применений или продуктов.
Следует отметить тенденцию стирания
граней между сепараторами и центрифугами.
Интересным примером использования нетра-
диционного набора известных признаков явля-
ется вертикальная шнековая центрифуга с па-
кетом тарельчатых вставок, которая представ-
ляет собой комбинацию осадительной шнеко-
вой центрифуги и центробежного тарельчатого
сепаратора. В отличие от стандартных машин,
она снабжена гибкими опорами, аналогичными
горловой опоре сепаратора, что позволило рез-
ко увеличить угловую скорость.
В этой центрифуге исходный продукт по-
ступает в шнековый канал, в котором происхо-
дит его разделение. Осадок транспортируется
шнеком и выгружается в нижней части ротора.
Осветленный продукт через отверстия в шнеке
поступает в пакет тарелок, дополнительно се-
парируется, а затем удаляется из центрифуги с
помощью напорного диска. В центрифуге дос-
тигается высокая степень разделения. Однако
ее конструкция оказалась сложной, а рабочая
производительность меньше, чем у стандарт-
ной шнековой центрифуги того же диаметра.
Внешнее направление развития связано с
совершенствованием внешних устройств цен-
трифуг. В частности, ведутся работы, направ-
ленные на улучшение аэродинамических и
шумовых показателей машин. Совершенству-
ются характеристики привода центрифуг, на-
правленные на уменьшение трения в переда-
точных механизмах и потребления электро-
энергии. Внедрение новых материалов с по-
вышенными прочностными и коррозионными
свойствами ведет к снижению массы ротора и
росту скорости, что способствует повышению
эффективности разделения. Применение свар-
ных рам и станин вместо литых, позволяет
снизить массу машины. Использование высо-
копрочных и износостойких материалов уве-
личивает надежность и срок службы деталей
центрифуг и сепараторов, подвергающихся из-
носу. С установкой вставок из карбида титана в
несколько раз увеличивается срок службы шне-
ка горизонтальных осадительных центрифуг.
Общей тенденцией является упрощение
конструкций ЦРТ и снижение их стоимости,
например, за счет использования неметалличе-
ских материалов.
Автоматизация охватывает все стороны
работы ЦРТ. Применение микропроцессорных
систем управления снижает затраты труда при
эксплуатации и оптимизирует процесс.
Проектирование новых моделей ЦРТ яв-
ляется многокритериальной задачей. При ее
решении следует принимать во внимание мно-
жество факторов, большинство из которых
являются «неявными» и зависят от конкретно-
го лица, принимающего решение. В настоящее
время основной тенденцией или основным
критерием при создании нового типа или мо-
дернизации модельного ряда является эконо-
мический критерий в виде рыночной цены.
Такой подход аналогичен подходу при созда-
нии серийно выпускаемой машиностроитель-
ной техники, в частности, автомобилей. Это
заставляет крупных производителей ЦРТ мак-
симально унифицировать модели для снижения
398
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
себестоимости продукции. Тем самым, значи-
тельно увеличивается доля рынка наиболее
применяемых моделей ЦРТ. Крупные фирмы-
производители постепенно отказываются от
нестандартных применений ЦРТ, отдавая эту
рыночную нишу небольшим фирмам. Послед-
ние могут адаптировать отдельные модели под
специфические требования заказчика. В неко-
торых случаях крупные фирмы также предла-
гают такие решения. При этом стоимость про-
дукции значительно превышает стоимость
стандартных моделей.
6.3.5. ПРЕССОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
ДЛЯ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКОГО ОТЖИМА
Прессовый способ извлечения жидкого
компонента из пищевого материала известен
давно. Сущность его заключается в отжиме из
подготовленного пищевого продукта или мате-
риала жидкости путем воздействия внешней
нагрузки сжатия. Отжим под давлением широ-
ко применяется в молочной промышленности
для обезвоживания молочно-белковых сгуст-
ков (при производстве творога, сыра, казеина),
кондитерской - для отжатия какао масла из
тертых бобов какао. Под давлением получают
сок из плодов и ягод, животный жир из шква-
ры, растительное масло из семян, воду из свек-
ловичного жома и т.д.
В некоторых случаях процесс отжима по-
зволяет обеспечить замкнутый технологиче-
ский цикл - безотходное производство, в кото-
ром прессы используются для утилизации пи-
щевых отходов. Иногда отжиму предшествует
фильтрация. Получаемый в сгустителях, цен-
трифугах, на фильтрах осадок затем дополни-
тельно осушается сжатием. В свою очередь,
отжим часто предшествует сушке, которой
подвергаются продукты после удаления влаги
прессованием. Связано это с тем, что механи-
ческое обезвоживание дешевле термического и
поэтому отжим часто используют как первую
стадию отделения влаги.
Классификация оборудования. В от-
жимных прессах распределение давлений по
высоте прессуемого слоя продукта может быть
как равномерным, так и неравномерным. На-
пример, при отжиме методом самопрессования,
при котором жидкость отделяется в результате
уплотнения продукта под действием силы,
создаваемой массой самого продукта, распре-
деление внешнего давления по толщине слоя
переменное и имеет вид треугольной эпюры.
Переменное давление имеет место и в осади-
тельных центрифугах, в которых большее дав-
ление создается в слое продукта, находящегося
у стенки барабана центрифуги. После осажде-
ния частиц скелета происходит уплотнение
осадка, и жидкость отжимается к оси вращения
(обратный отжим). В фильтрующих центрифу-
гах в период уплотнения осадка могут быть два
случая:
если плотность скелета больше плотности
жидкости, то движение жидкости может про-
исходить как в сторону фильтрующей стенки
барабана, так и к оси вращения (обратный от-
жим);
если плотность частиц меньше плотности
жидкости, то движение жидкости может про-
исходить только к периферии, в сторону пер-
форированной стенки барабана.
Если в прессах подвергают отжиму слой
значительной толщины, то кроме внешней
нагрузки следует учитывать нагрузку от собст-
венного веса продукта.
Прессовое оборудование для отжима
можно классифицировать по характеру внеш-
них сил (массовых, поверхностных), создаю-
щих давление (рис. 6.78):
1) поверхностной силой, создающей рав-
номерное распределение давления;
2) давлением, создаваемым инерционной
(массовой) силой;
3) давлением, образуемым комбиниро-
ванной нагрузкой.
Основную группу по развиваемым усили-
ям, энергоемкости, массовости применения,
стоимости составляют прессы. По способу
проведения процесса все многообразие прессов
можно разделить на две традиционные группы:
периодического и непрерывного действия.
Прессы периодического действия на-
шли наибольшее распространение и достаточ-
но полно отвечают технологическим требова-
ниям отжима жидкой фазы, но обладают не-
большой производительностью. По принципу
создания давления эти прессы бывают винто-
вые, рычажные, гидравлические, гидромехани-
ческие, пневматические и др.
Пакетный пресс. В таком прессе успешно
используется принцип тонкослойного прессо-
вания, сокращающий продолжительность от-
жима. Подготовленную для прессования плодо-
во-овощную мезгу (измельченную массу) заво-
рачивают в салфетки из прочной ткани и обра-
зовавшиеся пакеты укладывают один на другой
с дренажными решетчатыми прокладками
Рис. 6.78. Классификация прессового оборудования для отжима
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ 399
400
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
между ними. Находящиеся под давлением в
прессе пакеты с боков открыты (прессы откры-
того типа). Количество пакетов в комплекте
зависит от толщины слоя мезги и габаритных
размеров пресса. Толщина слоя в зависимости
от мезги, из которой получают сок, колеблется
от 60 до 80 мм. Время отжима в пакетных
прессах составляет 20...30 мин, а прессование
производится в один прием. Для повышения
производительности пакетных прессов целесо-
образно предварительное отделение в зависи-
мости от сырья 25...50 % сока-самотека [43], а
для обеспечения поточности работы пакетные
прессы комплектуют двумя - тремя платфор-
мами, устанавливаемыми на карусели.
В трехплатформенном гидравлическом
прессе {Болгария), показанном на рис. 6.79, на
одной платформе производится прессование, а
две другие находятся под загрузкой и разгруз-
кой.
В прессе РОК-200с (Польша) [70] сжатие
осуществляется в два этапа: быстрое сжатие
давлением до 0,6 МПа; медленное - давлением
до 2,5 МПа. Производительность пресса 3300
кг/ч по яблочной мезге.
Пакетные прессы позволяют получать
сравнительно высокий выход сока (до
70...74 %) при малом содержании в нем взве-
шенных веществ (до 1,5 %). К недостаткам
следует отнести большие трудозатраты (пресс
Рис. 6.79. Трехплатформеиный
гидравлический пакетный пресс:
1 - бункер; 2 - пакеты;
3 - передвижная платформа; 4 - рама
РОК-200с обслуживает пять человек), перио-
дичность в работе, а также то, что на проведе-
ние подготовительных операций требуется
много времени. Вследствие этого мезга и сок
длительное время находятся в контакте с воз-
духом, что отрицательно сказывается на каче-
стве сока.
Пакетные прессы находят применение и
для отжима масла из хлопковых и других се-
мян, для выделения говяжьего жира; при этом,
их используют как открытые, так и закрытые
(зеерные), в которых пакеты закладываются в
коробки (зееры) с отверстиями с боков для
выхода жидкости.
Корзиночные прессы представляют собой
деревянный или металлический резервуар ци-
линдрической формы, выполненный из узких
деревянных или стальных полос с просветом
между ними для дренажа жидкости и дальней-
шего ее отвода. Подлежащий прессованию
продукт помещается в корзину и сжимается с
помощью гидравлического плунжера, винтово-
го механизма, пневматического привода или
другого способа, в том числе и комбинирован-
ного. В корзиночных прессах часто отсутствует
фильтровальная ткань, поэтому они более при-
годны для прессования материалов раститель-
ного происхождения, имеющих волокнистую
структуру, не содержащих жирового компо-
нента. В горизонтальных корзиночных прессах,
применяемых в виноделии и производстве со-
ков, осуществляется не только сжатие плодово-
овощной мезги, но и ее рыхление после цикла
прессования с целью повышения сокоотдачи, а
также механическая выгрузка выжимок. Гори-
зонтальная форма пресса дает возможность
вращением корзины обеспечить быстрое сте-
кание (первой самой ценной фракции) сока.
Корзина пресса может вмещать до 7 т мезги.
При правильном режиме работы сок, получае-
мый на корзиночных горизонтальных прессах
периодического действия, отличается высоким
качеством.
Горизонтальный корзиночный пресс
«Бухер НР» фирмы Bucher-Cnyer (Швейцария)
для прессования фруктов и ягод закрыт с двух
сторон подвижным и неподвижным дисками.
Между ними размещена дренажная система из
гибких стержней, обтянутых снаружи фильт-
ровальной тканью из синтетического материа-
ла. Стержни имеют дорожки, по которым от-
фильтрованный сок отводится в сборную ем-
кость, а мезга подается по трубопроводу, про-
ходящему через центр неподвижного диска.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
401
Во время прессования цилиндр не враща-
ется. Мезга заполняет пространство между
стержнями и прессуется подвижным диском,
который во время работы входит внутрь гори-
зонтальной корзины, сгибая дренажные стерж-
ни. Сок отделяется, проходит фильтрующую
ткань и по желобкам стержней стекает в сво-
бодное пространство между дисками, а оттуда
в трубопровод. При загрузке осуществляется
мягкая подпрессовка мезги, позволяющая еще
на стадии заполнения пресса отделить до 50 %
сока. После одного цикла прессования под-
вижной диск отодвигается назад, стержни рас-
прямляются, что способствует разрыхлению
мезги. Каждая партия мезги обрабатывается
давлением за четыре - пять циклов. По окон-
чании обработки корзина отодвигается от не-
подвижного диска и выжимки выгружаются из
пресса при вращающейся корзине.
Для повышения выхода сока иногда вы-
жимки по окончании прессования оставляют в
прессе, в который подают воду для экстрагиро-
вания оставшихся в мезге сухих веществ.
Пресс выпускается двух моделей: НР-3000
и НР-5000 производительностью 3000 и 5000
кг/ч по яблокам и до 10 т/ч по ягодам. Макси-
мальное .давление прессования 12 МПа, время
прессования одной партии мезги 70...75 мин,
загрузки 10... 18 мин. Один человек управляет
работой двух прессов.
Пневматический корзиночный пресс
ГППД-1,7 имеет резиновый баллон [70] со сжа-
тым воздухом, который давит на мезгу, нахо-
дящуюся в горизонтальном цилиндре с много-
численными щелями (размером 1,2 х 20 мм),
через которые выходит сок. При этом давление
должно подниматься постепенно. Когда сок
перестает выделяться, производится рыхление
мезги, для этого сбрасывают давление и за-
ставляют вращаться корзину, мезга осыпается
со стенок, перелопачивается и разрыхляется.
После сбора нужного количества сока из прес-
са удаляют выжимки. Производительность
пресса 1,7 т/ч; максимальное давление на мезгу
0,7 МПа, частота вращения цилиндра 20 мин Г,
мощность привода цилиндра 2,8 кВт.
Чашечный пресс. Продукт для отжатия
подается в чашу цилиндрической формы с
фильтрующими элементами (сетками, рифле-
ными дисками с отверстиями и др.), располо-
женными сверху и снизу, и сжимается с помо-
щью гидравлического плунжера, свободно
входящего в чашу снизу. Чаши от одной до
двенадцати и больше в одном комплекте в вер-
тикальном прессе располагаются друг над дру-
гом. Рабочий плунжер через прессовые голов-
ки промежуточных плунжеров передает давле-
ние на подвижные сетчатые днища заполнен-
ных чаш.
Такие прессы нашли широкое примене-
ние в кондитерской промышленности для от-
жима какао-масла из тертых бобов какао.
Прессование производится в массивных ча-
шечных прессах. Подъем давления на подвиж-
ные чаши осуществляется постепенно во вре-
мени. Это определяет характер кривой повы-
шения давления на прессуемую массу. Прессо-
вая установка включает комплект чаш, насос
гидравлической системы, насосы для перека-
чивания тертого какао и масла какао и вспомо-
гательное оборудование. Тертое какао посту-
пает в пресс по трубопроводу 10 (рис. 6.80),
заполняет чаши 4 горизонтального пресса, за-
жатые между станиной / и рабочим цилиндром
9. Станина и рабочий цилиндр соединены мас-
сивными стяжками 5. Сетчатые фильтры 6
укреплены на прессовых головках 2 промежу-
точных плунжеров и прессовой головке 7 ра-
бочего плунжера 8. Через фильтры кроме пере-
дачи сил осуществляется отвод отжатого масла
какао. Так как с понижением температуры вяз-
кость масла снижается, то прессование произ-
водят в обогреваемом прессе.
После заполнения чаш насос гидросисте-
мы подает машинное масло в рабочий цилиндр 9.
На рабочем плунжере 8 создается давление,
которое передается тертому какао, поочередно
сначала находящемуся в крайней правой чаше,
а затем и в остальных. По окончании цикла все
подвижные части пресса при помощи специ-
ального устройства возвращаются в исходное
положение. Каждая чаша находит на головку
промежуточного плунжера, и жмыхи тертого
какао в форме лепешек выпадают под пресс.
Пружины 3 закрывают чаши для нового цикла
прессования.
В производстве шоколада наибольшее
применение находит двенадцатичашечный,
10
Рис. 6.80. Горизонтальный гидравлический
пресс бобов какао
402
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
горизонтальный пресс 1450/2.1 фирмы Petzhold
Henderhauer (Германия). За 1 ч в прессе полу-
чают 380... 1250 кг какао-масла в зависимости
от остаточного содержания его в жмыхе, ко-
леблющегося от 8 до 24 % с начальным содер-
жанием масла в тертом какао 54 %. Пресс име-
ет семь скоростей прессования при давлении
на массу в конце процесса 85 МПа, оснащен
автоматическим управлением.
В молочной промышленности прессы
применяют в производстве твердых и полу-
твердых сыров для окончательного прессова-
ния в формах.
Под действием внешнего давления из
сырной массы отжимается сыворотка, которая
выходит через отверстия форм, собирается и
отводится, а твердый сгусток уплотняется с
образованием замкнутого поверхностного слоя.
Давление прессования повышается постепенно
и плавно, что способствует более полному
обезвоживанию массы. Режим и продолжи-
тельность прессования различны для отдель-
ных сортов сыра. Сыр чеддер прессуют под
давлением 84 кПа, швейцарский - под давле-
нием 64 кПа, голландский, пошехонский, степ-
ной - под меньшим давлением 35...40 кПа; уг-
личский, волжский - под давлением 24.. .28 кПа.
Время прессования голландского сыра 1,5...2 ч,
швейцарского 16... 18 ч и т.д.
В промышленности наибольшее приме-
нение получили прессы с пневматическим и
гидравлическим приводом, которые должны
удовлетворять требованиям ГОСТ 28531-90.
«Прессы для сыра. Технические требования».
Штоки прессующих цилиндров у прессов изго-
товляют из коррозионно-стойких материалов, а
конструкция их исключает возможность попа-
дания смазочных материалов на продукт или
детали, соприкасающиеся с ним. Регулирова-
ние давления прессования осуществляется как
вручную, так и автоматически по заданной
программе.
Некоторым подобием чашечного пресса
является фильтр-пресс, состоящий из комплек-
та рам и плит, размещенных на двух горизон-
тальных балках и плотно прижатых друг к дру-
гу маховиком или гидравлическим прессом.
Между рамой и плитой проложено фильтрую-
щее полотно, на котором задерживается осадок
при прохождении суспензии через камеру,
образованной рамой и плитой. К концу цикла
осадок, заполнивший камеры, под действием
давления 0,3...0,4 МПа сжимается и обезвожи-
вается. Рамы и плиты разводятся и осадок вы-
падает на конвейер.
В таких фильтр-прессах получают от-
прессованные дрожжи.
Гидравлический расчет пресса. Прессо-
вое оборудование выбирают, исходя из расчет-
ных сил прессования. Из уравнения баланса
полезных сил. действующих на продукт и на
рабочую жидкость, находится давление, вос-
принимаемое рабочим плунжером гидравличе-
ского пресса:
лД/ 5-^ ,
Рпл =
^ПЛ
4
где р - давление, действующее на продукт;
А/ - диаметр загрузочной емкости; -
сумма сил, создаваемых массой т рабочего
плунжера и загрузочной емкости с продуктом
(для прессов с нижним давлением); Р - коэф-
фициент, зависящий от конструкции уплотне-
ния; f- коэффициент трения плунжера о ман-
жетное уплотнение (значения Р и f приведе-
ны в табл. 6.18); В - ширина уплотнения; б/пл -
диаметр плунжера.
Расход рабочей жидкости
»2
Ур.Ж П д ^ПЛ ’
где г>пл - скорость движения плунжера (вы-
бирается в зависимости от особенностей
свойств продукта).
6.18. Значения коэффициентов Р и f
для гидравлического пресса
Коэффициенты Уплотнение
набивочное манжетное
II-образное корытообразное с углом, °
60 90 120
₽ 0,15 1 0,4 0,5 0,7
/ 0,20 0,7...0,1 - 0,07...0,1 -
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
403
Основными частями гидравлической сис-
темы пресса являются рабочие цилиндр и
плунжер. Толщина стенки цилиндра
Вст
= 0,5dBH
1М0,4/>пл
-1
где dBH - внутренний диаметр цилиндра; dBH
на 10... 15 мм больше наружного диаметра
плунжера; - допускаемое напряжение.
При прессовании в фазах дисперсного
продукта напряженное состояние изменяется.
Полностью воспринятое в начальный момент
жидкостью (при двухфазном продукте) давле-
ние постепенно перераспределяется и переда-
ется скелету, который по мере отделения жид-
кости дает усадку. В конце процесса (теорети-
чески при Т = °° ) вся нагрузка воспринимается
скелетом продукта.
Расчет оптимальной дозы загружаемого
продукта. При эксплуатации гидравлических и
других прессов периодического действия важ-
но правильно определить дозу единовременно
загружаемого продукта [42]. Отклонение ее в
ту или другую сторону снижает производи-
тельность пресса. При чрезмерном дозирова-
нии это снижение происходит за счет роста
времени на прессование. При дозировании
малыми порциями увеличивается доля вспомо-
гательного времени в общем цикле, затрачи-
ваемого на загрузку и выгрузку исходного и
отработанного продукта, подготовку пресса к
очередному циклу и т.д.
Объемная производительность пресса по
отпрессованной жидкости определяется отно-
шением:
e0.«=A’//Zt’
где Д V = SF - изменение объема прессуемо-
го продукта за счет отделения жидкости
(рис. 6.81); ~ продолжительность цикла
прессования.
Степень отжима
V = AV/V =S/H ,
где V = FH - объем загружаемого продукта;
F - площадь поршня, сжимающего продукт
(площадь фильтрации); Н - первоначальная
высота; S - усадка продукта по высоте; \|/ -
задается технологическими условиями произ-
водства.
Величина
“ т + твс1 +^вс2 ’
где Т - основное время отжима; TBCj - вспо-
могательное время, не зависящее от объема V
(открытие и закрытие камеры прессования,
включение пресса в работу и т.д.); твс2 = 9 V ;
9 - длительность загрузки единицы объема
исходного продукта и последующей выгрузки
отработанного продукта.
Рассмотрим условие, при котором отжим
производится под действием постоянного дав-
ления р(т) = Р при двухстороннем отжиме
при толщине продукта 2Н (симметричная
задача).
Зависимость степени отжима продукта от
времени Т с учетом этого определяется фор-
мулой
W = a*Pf(M), (6.65)
где
/(М)=|_ 8 уе»р[-(2г-|)2м]
л Г=1 (2г-I)2
л2ст кп
М =-----— ; с =-----;
4Н2 а*Рж£
. a de
сг =----; а =-------- коэффициент уплот-
1 + Е| dp
нения; Е| - начальное значение коэффициента
Рис. 6.81. Схема для определения оптимального
дозирования продуктов в прессах отжима
периодического действия
404
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
П
пористости; Е =----коэффициент пористости
т
в некоторый момент времени т ; п , т - объ-
емы пор и монолита скелета пористой среды в
единице объема продукта; кп - коэффициент
фильтрации продукта; рж - плотность жидкой
фазы.
Если определять эффективность работы
пресса по производительности, то минимум
обратной функции производительности по вы-
1
деляемой жидкости у (V ) =------—- =------
2o.«(v) VV
определяется равенством нулю ее производной
по объему V. Откуда оптимальный объем про-
дукта Vo, дающий при минимальной затрате
времени максимальную производительность,
можно найти по приближенным формулам:
o = vo<vi<V2<--<V7
О = То<Т1<Т2<...<Т/=т;
0 = Ро < Pi < Р2 <...< Р/ =Р.
Будем считать, что изменение степени
отжима от значения до \|/z под давлени-
ем Pi происходит по такому закону, как если
бы значение было достигнуто под посто-
янным давлением р(т) = /* с самого начала
процесса отжима. Это означает, что 7} - =
if
a*Pt J J [a*Pi J '
Формулы (6.66) и (6.67) сохраняют силу
для многоступенчатого процесса, если поло-
жить
2Fa*P
V
(6.66)
М=У |_z-l
П \a*Pt \a*Pi
при
Справедливы приближенные формулы:
и
при
Р 2
К)
= 2Fa*
1/ ~ nF I---------
Кэ — 2 ус^вс1
(6.67)
2
а* <
Т“7
при
( = 1,2,3,...,/ ;
Следует отметить, что в случае опти-
мального дозирования справедливо равенство
= ^вс1•
Иногда технологический процесс строят
по ступенчатому закону изменения давления.
Это означает, что при возрастании от нуля до
максимального значения давление меняют
скачкообразно ступенями. В пределах одной
ступени давление остается постоянным:
р(т) = Pj при <х<1\,
где 7\ - время отжима, при котором степень
отжима достигает величины
V/, / = 1,2,3,...,/ ;
при — ( = 2,3,...,/.
2
Формулы для определения оптимальной
дозы единовременно загружаемого продукта и
соответствующей этой дозе производительно-
сти прессов периодического действия справед-
ливы как при многоступенчатом, так и при
одноступенчатом режиме отжима жидкости.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
405
Прессы непрерывного действия. В пи-
щевой промышленности наибольшее примене-
ние нашли шнековые, конвейерные, вальцовые
и некоторые другие прессы.
Шнековые прессы с одним или двумя по-
следовательными или параллельными шнеками
применяются преимущественно в масложиро-
вом, свеклосахарном и винодельческом произ-
водствах. В соковом производстве они исполь-
зуются для отделения сока первой фракции с
последующим дожатием оставшейся мезги
(виноградной, яблочной) на пакетных прессах.
Шнековый пресс РЗ-ВПЦ2 (рис. 6.82)
предназначен для отжима яблочного сока.
Подвижный шнек 1 имеет уменьшающийся
шаг витков и приводится в движение от инди-
видуального электродвигателя через вариатор.
К внутренней поверхности перфорированного
цилиндра крепится спираль (ленточный непод-
вижный шнек). Подвижный и ленточный шне-
ки вместе с вертикальным перфорированным
цилиндром образуют зону, предварительного
прессования, под которой расположена первая
секция сборника сока. Зона окончательного
прессования состоит из двух шнеков.
Транспортирующий шнек 3 находится в
перфорированном цилиндре. На одном валу с
транспортирующим установлен прессующий
шнек. Направление витков у шнеков различ-
ное, как и направление их вращения. Прес-
сующий шнек 6 размещен в щелевом цилинд-
ре. Разъемный щелевой цилиндр набран из
отдельных полистирольных пластин с прили-
вами, что обеспечивает образование продоль-
ных щелей шириной от 0,8 мм в начале цилин-
дра до 0,4 мм в конце. Под цилиндром нахо-
дится сборник сока.
Наибольшая частота вращения шнека
60 с1. Габаритные размеры пресса 6700 х 830 х
х 2700 мм, масса 3100 кг, выход сока 73.. .76 %.
Пресс РЗ-ВП2-П1-5 снабжен проволоч-
ным цилиндром с мелкими огверстиями для
удаления сока. У пресса имеются обтюрирую-
щие устройства, выполняющие роль направ-
ляющих звездочек. Они расположены в бунке-
ре, обеспечивают равномерную подачу мезги в
пресс и удаление сока-самотека, который сте-
кает в первый поддон. Пресс имеет промежу-
точную опору вала, которая обеспечивает га-
рантированный зазор между шнеком и стенка-
ми пресса. Выход сока составляет 71 %, а со-
держание взвесей 2,7 %.
Фирмы США и Италии выпускают прес-
сы с несколькими параллельно установленны-
ми шнеками, в которых более развита дренаж-
ная поверхность, а следовательно, нагрузка мез-
ги на единицу площади уменьшена, что обес-
печивает получение сока высокого качества.
Шнеки вращаются в самостоятельных
цилиндрах с автономными конусами регулиро-
вания давления на скелет.
Все большее применение получают им-
пульсные шнековые прессы [43, 71] с прерыви-
стым вращением шнека и его продольным пе-
ремещением в направлении питания, что
уменьшает истирание мезги. За рубежом вы-
Рис. 6.82. Шнековый пресс РЗ-ВПЦ2:
I - подвижный шнек; 2,7 - перфорированные цилиндры;
3 - транспортирующий шнек; 4 - кожух; 5 - зеерный цилиндр;
6 - прессующий шнек; 8,10- электродвигатели; 9 - питатель
406
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
пускают импульсные прессы с диаметрами
шнеков 0,5...! м. Исследования показывают,
что для устранения мутности жидкого компо-
нента необходимо снижать давление на мезгу и
частоту вращения шнеков до 0,5... 1 мин1.
Соковыжымалка МСЗ-40 [10] в качестве
рабочего органа имеет вращающийся кониче-
ский шнек 5, выполненный из коррозионно-
стойкой стали (рис. 6.83). Благодаря уменьше-
нию диаметра винтовой нарезки и шага витков
продукт, поступающий из загрузочной воронки
4, одновременно с транспортированием отжи-
мается с выделением сока, который через от-
верстия съемной сетки стекает в сливной лоток
10. В конце рабочей камеры имеется разгру-
зочное отверстие для удаления отпрессованной
мезги. Хвостовик 7, выполненный в виде пус-
тотелого стрежня, соединен винтами с универ-
сальным приводом. Шнек с горизонтальным
приводным валом поддерживается двумя под-
шипниками. Применяется в общественном
питании.
Наличие взвешенных частиц в соке, по-
лучаемом на шнековых прессах даже совре-
менных конструкций, требует при необходи-
мости дополнительных операций для его ос-
ветления, что удорожает производство. В связи
с этим в последние годы была предпринята
попытка разработки и теоретического обосно-
вания конструкций новых прессов, которые
отличались бы простотой и надежностью в
работе и одновременно обеспечивали получе-
ние достаточно прозрачного сока [41].
Конвейерные прессы представляют собой
разновидность прессов непрерывного действия,
6.19. Техническая характеристика
ленточных прессов
Параметр ПЛ-2,5 ПЛ-5,0
Производительность, т/ч 2,5 5
Установленная мощность, кВт 4,65 6,6
Скорость движения полотна, м/мин 0,55.. ..2,57
Выход сока, % 70.. ..75
Габаритные размеры, мм 7800х НОООх
х2060х х2500х
Х2250 хЗООО
Масса, кг 9200 13000
в которых также эффективно используется
принцип тонкослойного прессования. Тонкий
слой мезги в них образуется между двумя дви-
жущимися лентами из прочной гибкой ткани.
Давление на продукт создается сходящимися
бесконечными лентами обычно во взаимодей-
ствии с вальцами (табл. 6.19).
Ленточный пресс ПЛ производства фир-
мы Техноэкспорт (Болгария) состоит [43] из
фильтрующего полотна, которое складывается в
зоне прессования вдоль продольной оси, приоб-
ретая корытообразную форму, и сжимается ме-
таллическими пластинами. Яблочная мезга по-
дается в складки ленты, образующиеся по пути
ее движения, и прессуется при синхронном
движении полотна и прижимных пластин, а
необходимое давление обеспечивается прижим-
ными роликами и специальными пружинами.
Вид Б
10 11
Рис. 6.83. Соковыжималка МСЗ-40:
1 - хвостовик; 2 - приводной вал; 3 - рабочая камера; 4 - загрузочная воронка;
5 - конический шнек; 6 - сетка; 7 - подшипник скольжения; 8 - откидной болт;
9 - регулировочный винт; 10 - сливной лоток; 77 - разгрузочное отверстие
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
407
Отделяющийся сок стекает вниз по обоим по-
лотнищам и собирается в коллекторе, изготов-
ленном из коррозионно-стойкой стали. Первая
наиболее качественная фракция сока отделяется
в начале при прохождении ленты между двумя
рядами вертикальных вальцов, откуда полотно
поступает на главное прессование.
После прессования полотно расправляет-
ся специальными направляющими и мезга
сбрасывается на конвейер, а полотно очищает-
ся и отмывается.
Ленточный пресс ПВК-12 (Югославия)
[43] имеет производительность по яблокам
12 т/ч, установленную мощность 3 кВт, расход
воды 2 м3/ч, время отжима 4 мин. Мезга из
бункера поступает на ленту, которая вначале
проходит зону стекания, где отделяется сок-
самотек, затем образовавшаяся «лепешка»
прессуется между натянутыми лентами, оги-
бающими каскад специальных роликов. На
конечном участке ленты расходятся, мезга
кусками выпадает на конвейер и отправляется
в отходы. Ленты прибывают к месту загрузки и
цикл повторяется. По пути движения без мезги
ленты промываются. Регулируются скорости
движения лент и толщина слоя мезги.
Ленточный пресс Амос АР 1500/1000
(Германия) отличается тем (рис. 6.84), что прес-
сующие ленты в нем движутся снизу вверх в
вертикальной плоскости, огибая каскад валиков
[43]. Предварительный отжим осуществляет
барабан, выполненный из коррозионно-стойкой
стали, расположенный в самой нижней части.
Сок собирается в один сборник без деления его
на фракции. Ленты промываются при помощи
сопел по пути их следования без продукта.
Пресс Кляйн типа ФП (Германия) имеет
четыре зоны (рис. 6.85) и является наиболее
совершенным из ленточных прессов. Питание
мезгой осуществляется шнеком, регулирую-
Рис. 6.84. Пресс Амос АР 1500/1000 (Германия):
1 - бункер; 2 - зона предварительного
прессования; 3 - устройство для очистки ленты;
4 - сборник для сока; 5 - труба для выхода
выжимок; 6 - натяжное устройство; 7 - лотки для
стекания сока; 8 - основная зона сжатия;
9 - направляющий ролик; 10 - станина
Рис. 6.85. Пресс Кляйн типа ФП:
1 - загрузочный бункер; 2 - барабаны-контроллеры; 3 - приводные ролики;
4 - зона высокого давления; 5 - зона срезания; 6 - устройство для мойки ленты;
7 - зона среднего давления; 8 - зона стекания; 9 - натяжные ролики
408
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
щим подачу. В первой зоне отделяется сок-
самотек в количестве примерно 20 % массы
мезги. Затем лента переходит в зону среднего
давления, где мезге придается форма клина за
счет схождения лент. В этой зоне выделяется
примерно 30 % сока. Мезга входит в зону сдви-
га слоев прессуемого продукта, который (сдвиг)
происходит за счет уменьшающихся диаметров
роликов. Это повышает эффективность отжа-
тия мезги (сока выделяется до 40 %). Последняя
зона дожатия высоким давлением дает 10 %
сока. Выжимки скребками счищаются с лент.
Ленты расходятся и промываются водой из
плоскоструйных сопел. Движение их регулиру-
ется при помощи управляющих роликов.
Прессы ФП-1, ФП-1,5 и ФП-2 имеют
производительность соответственно 4... 7,
6...14 и 8...12 т/ч, ширину ленты 1; 1,5 и 2 м,
время отжима 3 мин. Обслуживает пресс один
человек.
В пищевой промышленности в последние
годы все большее применение находит двух-
ступенчатая система прессования, позволяю-
щая повысить выход сока и производитель-
ность оборудования. Сначала для извлечения
сока используются шнековые или ленточные
прессы, извлекающие из яблочной мезги до
60...70 % сока. Затем мезгу дожимают на вто-
рой ступени давления в корзиночном или па-
кетном прессе. Наконец, остатки сока из вы-
жимок после второй ступени давления и отсто-
явшихся взвесей выделяют на барабанном ва-
куум-фильтре или фильтр-прессе.
Вальцовые прессы находят применение в
мясной промышленности для отжатия каныги с
целью отделения воды. На рис. 6.86 представ-
лена схема пресса [70]. Каныга затягивается в
пресс двумя валиками 1 и 2 и, проходя между
ними, сжимается. Нижний валик лежит в фик-
Рис. 6.86. Двухвальцовый пресс:
I - верхний валик; 2 - нижний (полый) валик;
3 - подвижный подшипник; 4 - пружина
сированных подшипниках, а опорой верхнего
являются два подвижных подшипника, снаб-
женных пружинами. Таким образом, верхний
валик лежит на нижнем и своей массой и упру-
гостью двух пружин оказывает давление на
каныгу. Верхний валик сплошной, а нижний
полый с отверстиями для прохода внутрь отжа-
того жидкого компонента. Через эти же отвер-
стия жидкость выходит наружу, но только в
нижнем сегменте валика. Она отводится в ка-
нализацию, а отпрессованный сухой остаток
каныги счищается с поверхности барабанов
скребком и идет по назначению.
Расчет вальцового пресса. Сила давления
верхнего валика на нижний
0 = g/MBsina + 2n,np.
где тъ - масса верхнего валика, создающая
силу тяжести G; Шпр - сила давления пружи-
ны; a - угол наклона плоскости осей валиков
к горизонту.
Ширина полосы сжатия материала по
формуле Герца
/ \0,5
5= 2ДВ^- ; pb=Q/la,
k Е )
где Ав - диаметр валиков; Е - модуль упруго-
сти материала валиков; рв - максимальная
удельная сила прижатия валиков; /в - длина
валиков.
Максимальное осредненное давление
сжатия
п = g Рв
Р I Я / \0,5 •
в I I 2Д |
k Е J
Если валики изготовлены из разных ма-
териалов, то
Е__ 2EtE2 ,
Е\ +Е2
где Е| и Е2 “ модули упругости материалов
рабочих валиков.
Массовая производительность двухваль-
цового пресса по отпрессованному продукту
без учета упругих сил в скелете
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
409
Qk Фв^вРпк^в ’
где b ~ зазор щели между валиками; гв -
окружная скорость валиков; рпк - плотность
продукта на выходе из пресса; фв - коэффи-
циент использования максимальной произво-
дительности вальцового пресса.
Расчет основных технологических ха-
рактеристик процесса отжима. Прессование,
осуществляемое с целью отжима жидкости
даже в простейшем варианте, когда сжатие
исходного продукта производится в одном
направлении, представляет собой довольно
сложный технологический процесс. На его
течение оказывает влияние ряд взаимосвязан-
ных между собой факторов, характеризующих
в первую очередь продукт, а затем режим ра-
боты и конструкцию прессового оборудования.
К этим факторам относятся: структура и тех-
нологические свойства исходного сырья, дав-
ление и продолжительность прессования, тер-
мические условия, толщина сжимаемого слоя и
др. При этом в процессе отжима структурные и
технологические свойства продукта могут из-
меняться в широких пределах, что в значи-
тельной степени осложняет изучение фильтра-
ционных и компрессионных свойств прессуе-
мой массы и процесса в целом.
При отжиме жидкая фаза перемещается
по микропорам измельченной массы - мезги,
преодолевая при этом гидравлическое сопро-
тивление, возрастающее от центральных слоев
к поверхностным. Для его уменьшения сырье
иногда обрабатывают (теплом, электроплазмо-
лизом, замораживанием), а для улучшения
структуры и увеличения площади прессования
к измельченному сырью добавляют древесную
стружку, волокна целлюлозы, лузгу и др. [9].
Минимальное количество жидкости, остаю-
щееся в материале после прекращения ее вы-
деления, называется равновесной концентра-
цией. По ряду значений равновесной концен-
трации и соответствующих этим концентраци-
ям давлениям строят компрессионную функ-
цию, которая является основой расчета процес-
са прессования. Для двухфазных продуктов, не
имеющих газовых включений, компрессион-
ную кривую представляют в координатах
р (рис. 6.87), где w - равновесное влаго-
содержание, выраженное отношением масс
жидкости и скелета (кг/кг); р - внешнее дав-
ление, полностью воспринимаемое скелетом в
Рис. 6.87. Равновесная кривая
и кривые уплотнения
конце прессования (теоретически при т = оо ).
С равновесной кривой на рис. 6.87 представле-
ны также кривые уплотнения в координатах
тг, т (по аналогии с кривыми сушки).
Рабочее время, затрачиваемое на отделе-
ние жидкости прессованием, зависит от ком-
прессионных и фильтрационных свойств двух-
фазной дисперсной системы и связано с реше-
нием уравнения
^Рск Рек
—Г"’
fa dz2
kn
где q =—--------------------коэффициент,
I i Рек I
67 1 + ТГСр Рж£
\ Рж )
характеризующий скорость выравнивания дав-
лений в скелете; z - приведенная координата,
совпадающая с направлением движения жид-
кости; wcp = 0,5(w|+wK) - среднее за время
прессования влагосодержание, рск - плот-
ность скелета.
Если кп/а не изменяется или мало из-
меняется за время прессования (при прессова-
нии уменьшаются как Ап , так и а\ то интег-
рирование уравнения (6.68) дает
1 . rnz
Рек=Р
—sin---X
г 2h
( 2 2
г тС CiT
хехр---------—
4 I?
(6.69)
где р - постоянное внешнее давление (не учи-
тывается трение со стороны стенок прессовой
емкости); рск - давление в скелете продукта;
410
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
h =------------ - приведенная высота слоя
1 + и'|Рск/Рж
(монолита скелета); h' - начальная высота
слоя; wj - соответствующее ей влагосодержа-
ние; wK - влагосодержание продукта в конце
прессования.
Иногда продукт отжимается методом са-
мопрессования, встречающимся в производст-
ве творога, виноделии и др. Для самопрессова-
ния используются простые устройства с глубо-
кими перфорированными емкостями, прес-
сующее давление в которых создается массой
самого продукта. При чистом самопрессова-
нии без внешней подпрессовки за расчетное
давление принимается половина максимально-
го, действующего в основании:
Р = Рп£^р/2'
где рп , /?ср - средние плотность продукта и
высота его слоя за время самопрессования.
В качестве начального приближения ра-
бочее время прессования может быть опреде-
лено по формуле
т = Ah2 [ 1 + wcp 1 In —---
I Рж ) WK~Wp
(6.70)
. 4 аРж£. n
где А = —-------->-0
л2
- константа, зависящая
от свойств прессуемой среды, ее сопротивле-
ния сжатию, влагопроводности; уц, wCp,
wK и и’р - влагосодержание соответственно
начальное, среднее за время прессования, ко-
нечное и предельное (равновесное) при т = оо
для заданного р.
Формулу (6.70) можно использовать для
предварительного изучения отжима в прессо-
вых устройствах непрерывного действия при
достаточном различии ик и wp. Для заданно-
го конечного значения wK подбираем, напри-
мер, длину ленты, или скорость ее движения,
или определяем производительность устройства.
Так, формула (6.70) может быть разреше-
на относительно массовой производительности
по отжатому продукту для ленточных, бара-
банных и аналогичных отжимных устройств в
виде
Qk=—7------
Ah l + wcn^
l РРж
Рпк^| I + ^к j ф
Рж )
Wj-Wp
In------
wK-wp
(6.71)
где wK - влагосодержание продукта на выходе
из пресса; ф - коэффициент заполнения про-
дуктом сечения пресса.
Для барабанных устройств найдется
из равенства
/*6 ~~~4) ’
° 360
где Ag - диаметр барабана; - ширина ба-
рабана; р - угол зоны отжима.
Производительность пресса по начально-
му продукту Qu и отжатой жидкости QyK
можно найти по балансовым уравнениям
Q, =Л-------- и Qk=Qk—---------
" к 1-(Г| ж к 1-(F,
где , JVK - соответственно начальная и ко-
нечная массовые доли жидкости по отношению
ко всей массе продукта.
Из выражений (6.70) и (6.71) следует, что
на практике прессование всегда выгодно про-
водить в тонком слое и двухстороннем отжиме.
Режимы прессования, применяемые для
отжима жидкости из продукта, во многом оп-
ределяются его равновесной (компрессионной)
кривой. По этой кривой выбирают давление,
необходимое для получения нужной степени
отжима, оценивают достижимость заданной
концентрации жидкости в продукте при при-
менении того или иного давления прессования,
рациональных его пределах.
Часто внешнее давление, создаваемое тем
или иным способом, в течение какого-то про-
межутка времени остается постоянным. В на-
чальный момент, когда жидкой фазы в разде-
ляемой системе достаточно много, приклады-
вается минимальное давление. Затем по мере
снижения темпа отделения жидкости, оно
скачкообразно увеличивается до следующего
постоянного значения, мало отличающегося от
предыдущего. Такой режим обеспечивает ми-
нимальное вымывание частиц скелета жидко-
стью через фильтрующую перегородку, под-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
411
держивающей прессуемый продукт, а кроме
того, отсутствует необходимость сразу прикла-
дывать максимальное давление, так как не на-
чальный, а конечный период лимитирует про-
цесс.
Однако повышение внешнего давления
может осуществляться непрерывно. При этом
рациональная форма кривой повышения дав-
ления во времени может быть установлена
лишь опытным путем в зависимости от свойств
разделяемых дисперсных систем и сопротив-
ления фильтрующей перегородки. Она опре-
деляет скорость усадки продукта, которая в
частном случае может быть и постоянной,
dS
V = — = const.
dx
Если давление повышается непрерывно,
то определить время прессования можно путем
замены кривой подъема давления ступенчатой
линией, максимально приближенной к кривой,
с последующим суммированием найденных
промежутков времени по ступеням прямых
линий.
Для некоторых отжимных прессов из-
вестным параметром бывает не внешнее дав-
ление, по которому выбирают режимные ха-
рактеристики, а скорость усадки, автоматиче-
ски определяющая вид и характер кривой бес-
прерывного повышения давления во времени.
Прессующие органы (перфорированные плиты,
щеки, валики) приводятся в действие через
систему элементов, составляющих чаще всего
жесткую кинематическую цепь и заранее пре-
допределяющих движение и скорости движе-
ний этих органов, а следовательно, усадку и
скорости усадок дисперсного продукта. Регу-
лирование работы таких прессов состоит в
опытном подборе скоростей движения рабочих
органов, подачи исходного сырья в загрузоч-
ное устройство.
Фильтрующие перегородки предназначе-
ны для удержания твердых частиц скелета на
своей поверхности и пропуска жидкой фазы.
Перегородки бывают в виде пакетов, мешков,
куда помещают продукт перед прессованием, в
виде полотен, бесконечных лент, устанавли-
ваемых в конвейерных и других прессах. Изго-
тавливают их из хлопчатобумажных, синтети-
ческих и других материалов. При больших
давлениях прессования применяют прочные
металлические сетчатые перегородки, на кото-
рые укладываются гибкие материалы, пропус-
кающие жидкость. Загрязненные перегородки
очищаются с помощью валиковых щеток, про-
мываются водой, обдуваются воздухом.
Когда сопротивление слоя продукта ве-
лико по сравнению с сопротивлением фильт-
рующей перегородки, влиянием последней на
процесс отжима можно пренебречь. Однако в
некоторых случаях его необходимо учитывать.
Например, в устройствах непрерывного дейст-
вия фильтрующая способность перегородки
может заметно снижаться за счет закупорива-
ния пор в период эксплуатации между про-
мывками.
Эквивалентный коэффициент фильтра-
ции, характеризующий фильтрационную спо-
собность системы продукт - фильтрующая
перегородка (рис. 6.88)
^ф.п
(6.72)
где hc — +йф п - общая осредненная тол-
щина слоя продукта и фильтрующей перего-
родки; АфЛ1 - коэффициент фильтрации
фильтрующей перегородки.
Выражение (6.72) получается исходя из
положения о том, что потеря напора в системе
равна сумме потерь напора в элементах систе-
мы. Коэффициент &ф п определяется пропус-
канием отжимаемой жидкости через перего-
родку определенной степени загрязненности,
измеренйем параметров, необходимых для
определения плотности потока жидкости и
потерь напора.
При учете фильтрующей способности пе-
регородки в базовые формулы (6.65), (6.69) и
(6.70) вводится вместо коэффициента фильтра-
ции кп продукта эквивалентный коэффициент
фильтрации кэ системы продукт - фильтрую-
щая перегородка.
Рис. 6.88. Схема расчета
фильтрующей способности системы:
продукт 7 - фильтрующая перегородка 2
412
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
6.4. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ
МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ПРОДУКТОВ
6.4.1. КЛАССИФИКАЦИЯ, ОСНОВНЫЕ ТИПЫ
Смесителем называется машина для об-
разования смеси двух или более компонентов,
имеющей необходимые однородность и конси-
стенцию. Основным элементом смесителя яв-
ляется месильная камера, в которой располо-
жены рабочие органы, перемещающие компо-
ненты по пересекающимся траекториям. Клас-
сификация смесителей приведена ниже по раз-
личным признакам:
по функциональному назначению - обра-
зование одно-, двух- и трехфазных материалов;
изменение или поддержание консистенции,
температуры;
по характеристике цикла - периодическо-
го и непрерывного действия;
по расположению рабочей камеры - го-
ризонтальное, вертикальное, произвольное,
сменная емкость;
по конструктивному исполнению рабо-
чих органов - лопастные, валковые, шнековые,
винтовые, комбинированные;
по количеству рабочих органов - с одним
или несколькими;
по кинематическим признакам - статиче-
ские, с подвижными рабочими органами;
по кинематическим параметрам - движе-
ние с постоянной или переменной скоростью;
по взаимодействию рабочих органов -
незацепляющиеся, зацепляющиеся;
по зацеплению между профилями рабо-
чих органов - неплотное, плотное;
по движения рабочих органов - вращение
в одну сторону или в разные стороны, состав-
ное;
по характеру воздействия на материал -
малоскоростное, интенсивное, скоростное.
К однофазным пищевым материалам и
полуфабрикатам, получаемым в результате
смешивания, относятся жидкости, например
спирт + вода, и твердые сыпучие, к двухфаз-
ным - жидкость с газом - пена, например, бел-
ковая; две жидкости - эмульсии, например
майонез, жидкость с твердым сыпучим, напри-
мер масса какао, к трехфазным - твердое сы-
пучее с жидкостью и газом, например шоколад,
кремовая конфетная масса, мороженое и хле-
бопекарное тесто.
При периодической работе загрузка ком-
понентов, смешивание и выгрузка готового
материала производятся последовательно, при
непрерывном - одновременно. Можно приме-
нять смесители периодического действия для
осуществления непрерывного цикла, для этого
в линии обычно устанавливают два смесителя,
которые работают в противофазах. В смесителе
непрерывного действия рабочие органы, кроме
смешивания, должны обеспечивать транспор-
тирование смеси от зоны загрузки к зоне вы-
грузке.
Выбор смесителя по остальным призна-
кам зависит от вида магериала и требований
производства. При горизонтальном располо-
жении рабочей камеры значительная доля
мощности затрачивается на трение материала о
внутренние поверхности стенок, что особенно
имеет значение при обработке сыпучих и пла-
стичных материалов. Вертикальное располо-
жение оси камеры позволяет использовать
гравитационные силы [53] и уменьшить на-
грузку на вал.
В статических смесителях, предназначен-
ных для перемешивания маловязких жидкостей
в условиях турбулентного режима, обработка
осуществляется неподвижными вставками 2
различной конфигурации, установленными в
рабочей камере-канале 7, имеющей переменное
сечение (рис. 6.89). Подача жидкостей в камеру
производится насосом через сопло 3.
Наиболее распространены и разнообраз-
ны по конструктивному исполнению лопаст-
ные смесители [50]. Традиционными для заме-
са хлебопекарного теста являются машины с
подкатной емкостью (дежой) 7, в которую по-
мещен месильный орган 2, совершающий дви-
жение вокруг оси 3 с пространственной (рис.
6.90, а) или плоской (рис. 6.90, б) траектория-
Рис. 6.89. Статический смеситель:
7 - камера; 2 - насадки; 3 - сопло
Рис. 6.90. Смесители с подкатной дежой:
а - с пространственной траекторией рабочего органа;
б - с плоской траекторией рабочего органа;
1 - дежа; 2 - рабочий орган;
3 - привод рабочего органа
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ПРОДУКТОВ
413
ми, которое обычно сочетается с вращением
дежи, что создает дополнительные условия для
ускорения процесса.
Для образования сбивных пищевых масс
используется машина с рабочим органом 2,
совершающим планетарное (рис. 6.91, в) дви-
жение. Для этих же целей используется смеси-
тель 7 с двумя вертикальными параллельными
рабочими органам 2 и 4, имеющие разные час-
тоты вращения и форму (рис. 6.91, б).
Машины обычно снабжены узлами регу-
лирования частоты вращения рабочего органа
и сменными лопастями различной конфигура-
ции (рис. 6.92) для масс различной консистен-
ции.
Для сыпучих, вязких материалов чаще
применяют смесители с горизонтальной ме-
сильной камерой, в которой вращаются один
или два параллельных вала с лопастями. Кон-
струкция лопастей зависит от рода перераба-
тываемого материала. Загрузка компонентов
осуществляется через отверстия в крышке ме-
сильной емкости, выгрузка - путем ее опроки-
дывания встроенным механизмом или с помо-
щью шнека (насоса), установленного в нижней
части емкости. Рабочие органы двухвальных
смесителей могут вращаться либо в одном на-
правлении, либо в разных.
Одновальные смесители такого типа ис-
пользуются для сыпучих или средневязких
пищевых масс. На рис. 6.93 представлена схе-
ма смесителя для шоколадных масс и глазури.
Более распространены двухвальные смесители.
Для замеса теста, высоковязких конди-
терских масс используют смесители с Z-об-
разными или другой формы массивными лопа-
стями (рис. 6.94). Траектории движения лопа-
стей могут пересекаться и не пересекаться,
частоты вращения валов могут быть одинако-
выми или разными (рис. 6.95).
Для маловязких материалов используют-
ся также одно- и двухвальные (рис. 6.96) сме-
сители, отличающиеся менее массивными ло-
пастями. Обычно они выполняются в виде ло-
паток простой или сложной конфигурации,
закрепленных под углом к оси вала и располо-
женных по винтовой линии.
Основой этих конструкций являются
шнековые и винтовые смесители (рис. 6.97).
Шнек представляет собой сварной или сбороч-
ный узел. В случае парной установки шнеки
между собой не зацеплены. Такие конструкции
применяют для смешивания сыпучих и средне-
вязких материалов.
Рис. 6.91. Смесители для образования сбивных масс:
а - с планетарным движением рабочего органа;
б - с планетарным движением рабочего органа и
счищающей лопастью; в - с пространственной траек-
торией рабочего органа; г - с двумя
параллельными рабочими органами;
1 - дежа; 2 - рабочий орган; 3 - привод; 4 - лопасть
Рис. 6.92. Сменные рабочие органы
сбивальных машин
Рис. 6.93. Лопастной смеситель
414
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Рис. 6.94. Рабочие органы лопастных смесителей
WWW
JV А,..
для высоковязких масс
% %
Рис. 6.95. Траектории движения лопастей
Рис. 6.96. Лопастной смеситель:
а - одновальный; б - двухвальный;
/ - месильная камера; 2 - вал; 3 - лопасти
Рис. 6.97. Конструктивное развитие от шнека
до лопастного рабочего органа
Червяки винтовых смесителей изготов-
ляются путем токарной обработки. Они имеют
меньшую глубину нарезки, чем шнеки. При
парной установке их выполняют в большинст-
ве случаев с зацеплением, которое в зависимо-
сти от формы нарезки может быть неплотным
(рис. 6.98, а) и плотным (рис. 6.98, б); враще-
ние осуществляется в одном или противопо-
ложных направлениях. Это обеспечивает ин-
тенсивную обработку материала и самоочистку
поверхностей рабочих органов, что является
необходимым при обработке пищевых масс.
Червяки могут быть с правой и левой нарезка-
ми, а также снабжаться дополнительными эле-
ментами в виде кулачков (рис. 6.99, а), червя-
ков с прерывистой (рис. 6.99, б) или обратной
нарезками, шестерен и т.п., что способствует
более интенсивной обработке материала.
Для высоковязких материалов также ис-
пользуется одновинтовой смеситель с преры-
вистым червяком и закрепленными спираль-
ными лопастями на внутренней поверхности
месильной камеры. Вал смесителя дополни-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ПРОДУКТОВ
415
Рис. 6.100. Вертикальная рабочая камера
бисмесителя
Рис. 6.98. Червяки:
а - с неплотным зацеплением;
б - с плотным зацеплением
Рис. 6.99. Червяки с дополнительными элементами:
а - набором кулачков; б - с прерывистой нарезкой
тельно к вращению совершает осевое (возврат-
но-поступательное) движение. Винтовые вы-
ступы вала при прохождении между выступа-
ми корпуса взаимодействуют с ними, переме-
шивая и транспортируя материал.
Весьма перспективными для интенсивной
обработки как сыпучих, так и высоковязких
являются бисмесители [53] (рис. 6.100). В ме-
сильной камере расположены два рабочих ор-
гана: 1 лопастной транспортирующий, относи-
тельно тихоходный, охватывающий траектори-
ей движения весь рабочий объем; 2 быстро-
ходный меньших размеров и двигающийся в
локальной области. При работе транспорти-
рующая лопасть подает материал в зону воз-
действия быстроходного рабочего органа, в
которой происходит его интенсивная обработ-
ка. Такие смесители выпускаются с вертикаль-
ным и горизонтальным расположением рабо-
чей камеры, которая снабжена плотно закры-
вающейся крышкой, что позволяет обрабаты-
вать материал под вакуумом или при избыточ-
ном давлении.
В валковых смесителях [50] совмещены
процессы измельчения и смешивания. Машины
могут иметь различные конструктивные реше-
ния по форме валков, их числу и взаимному
расположению, соотношению скоростей (рис.
6.101).
Смесители подразделяются по характеру
воздействия на обрабатываемый материал. При
малоскоростном воздействии смесь образуется
со скоростью, соизмеримой с ручной обработ-
кой. Интенсивное воздействие предполагает
получение эффекта, который невозможно дос-
тичь ручной обработкой. Скоростная обработ-
ка позволяет образовать материал за весьма
короткий промежуток времени.
416
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Рис. 6.101. Схемы валковых смесителей
6.4.2. МАШИНЫ ДЛЯ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ
СРЕДНЕ- И ВЫСОКОВЯЗКИХ МАТЕРИАЛОВ
В машинах для перемешивания средне- и
высоковязких материалов (условный диапазон
динамической вязкости для средневязких ма-
териалов 10... 100 Па с, выше - для высоковяз-
ких) реализуются различные механические
процессы.
Перемешивание - механическая обра-
ботка материалов в специальном оборудова-
нии, обеспечивающая достижение нескольких
результатов:
смешения - обеспечения заданной рав-
номерности распределения по объему смеси
двух или более компонентов;
пластикации - изменения структурно-
механических характеристик материала от
твердой до вязкой, или от высоковязкой до
текучей консистенции.
сбивания - превращения однофазной или
двухфазной систем в двух- или трехфазную
при интенсивных механических воздействиях.
Для реализации одного их этих процессов
служат смеситель, пластикатор, диспергатор и
сбивальная машина. При реализации в одной
машине нескольких операций применяются
самые различные конструкции оборудования
для перемешивания пищевых масс (табл. 6.20).
Общие методы расчета. Исходными
данными для расчета являются: массовая Q
или объемная производительность Qo (кг/с),
характеристика производственного цикла,
структурно-механические характеристики и
технологические показатели компонентов и
смеси. Массовая производительность смесите-
лей периодического действия [37]
+ /л
(6.73)
где - коэффициент заполнения месильной
камеры: И - объем месильной камеры, м\
р - плотность материала. кг/м\ /с - продол-
жительность смешивания, с; /д - продолжи-
тельность вспомогательных операций (загрузка
компонентов, выгрузка материала, санобработ-
ка и др.), с.
Массовая производительность смесите-
лей непрерывного действия
2=ч>)^’срР- (6-74>
где S - площадь поперечного сечения ме-
сильной камеры, м2; гСр - средняя скорость
движения материала вдоль оси месильной ка-
меры, м/с.
Потребная мощность, Вт
= (6.75)
где АуД - удельная работа, необходимая для
смешивания материала, Дж/кг.
Лопастные малоскоростные смесители.
На лопасть [37], движущуюся в материале (рис.
6.102, а), действует равнодействующая сила
F, которую можно разложить на нормальную
силу сопротивления Fni и силу трения о ло-
пасть F^j (р - угол трения материала о ло-
пасть). Если ось вала горизонтальная, то по-
требная мощность
Z
N — (Ftl vti + Fai vai), (6.76)
/=1
где Fti и Fai - соответственно окружная и
осевая составляющие равнодействущей силы,
действующей на лопасть, Н: vti и vai - соот-
ветственно окружная и осевая составляющие
скорости точки приложения равнодействую-
щей, м/с; z - число лопастей одновременно
погруженных в материал.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ПРОДУКТОВ
417
6.20. Рекомендуемые типы смесителей в зависимости от их назначения
Процесс Пример образующегося материала Тип смесителя Режим обработки
Смешение Рецептурная смесь для гла- зури, шоколадной массы Одновальный или двухваль- ный смеситель с горизон- тальной месильной камерой периодического или непре- рывного действия Малоскоростной
Пластикация Пластицированные твердые жиры животного и расти- тельного происхождения Винтовой двухвальный пла- стикатор с комбинированны- ми рабочими органами Интенсивный
Диспергирова- ние Сыпучий полуфабрикат для пралиновой массы (прали- не), шоколада, глазури Валковые машины. Меланжер (грубое измельче- ние) Обычный
Пятивалковая мельница (гон- кое измельчение) Интенсивный
Сбивание Кремовая конфетная масса, масса для зефира и пасти- лы, крем для мучных кон- дитерских изделий, белко- во-сахарная пена Сбивалки с вертикальным рабочим органом периодиче- ского или непрерывного дей- ствия Интенсивный
Смешение и пластикация Пралиновая конфетная мас- са, кондитерское тесто Двухвальный смеситель с Z-образными лопастями Малоскоростной
Смеситель-пластикатор не- прерывного действия с одним или двумя лопастными вала- ми Интенсивный
Хлебопекарное тесто, кон- дитерское тесто Машина с подкатной дежой Малоскоростной
Двухвальный смеситель с Z-образными или другой формы лопастями Малоскоростной, интенсивный
Смешение и диспергирование Шоколадная масса, готовая к отливке Специальные вальцовые ма- шины, конши периодического или непрерывного действия Обычный, интен- сивный
В формуле (6.76):
Fu = Fm (соза + Утр sina); (6.77)
Fai = Fm (sina -/тр cosa). (6.78)
где a - угол между плоскостью лопасти и
осью вращения, °; - коэффициент трения
материала о лопасть;
vai =vti cos a sin a . (6.79)
В формулах (6.77), (6.78):
Fni =Sn (^cpPgtg2 (45° + v/2)+
+ 2Fyjltg(45°+ф/2)), (6.80)
где 5Л - площадь лопасти, м2; - средняя
глубина погружения лопасти в материал, м;
ц/ - угол внутреннего трения продукта, °;
^уд _ удельная сила сцепления материала с
лопастью.
14 — 8434
418
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
6)
Рис. 6.102. Схемы расчета прямоугольной (а) и
криволинейной(б)лопастей
Средняя глубина погружения плоской
лопасти рассчитывается как полусумма макси-
мальной и минимальной глубины погружения.
Для расчета смесителей с лопастями кри-
волинейной формы (рис. 6.102, б) ее разбивают
на части, принимаемые плоскими, рассчиты-
вают потребную мощность по формулам
(6.77) - (6.78) для каждой и по формуле (6.76)
определяют суммарную мощность. В этом слу-
чае
2 (cosq>i-cos<p) (1-(г/Я))3
/?Сп ---------------------------Z" ~К + П.
з ф-ф1 (1-(г//?))2
Производительность смесителя рассчи-
тывается по формулам (6.73) или (6.74).
Пример расчета. Произвести расчет смесите-
ля для пралиновой массы с корытообразной емко-
стью, в которой вращаются в противоположных
направлениях два рабочих органа, выполненные в
виде спиралей (рис. 6.103). Каждая спираль состоит
из двух частей по 1,5 витка с правой и левой навив-
ками для создания пересекающихся потоков обраба-
тываемой массы. Привод рабочих органов индивиду-
альный, от двух мотор-редукторов.
Рис. 6.103. Смеситель для пралиновой массы
Исходные данные приведены ниже.
Производительность Q, кг/ч, не менее.... Ю00
Продолжительность цикла, мин, не более. 30
Продолжительность загрузки, мин, не более 15
Продолжительность смешения, мин, не бо-
лее ..................................... 10
Продолжительность выгрузки, мин, не более 5
Температура массы, °C, не более........ 40
Плотность массы р, кг/м3............... 1200
Угол внутреннего трения продукта ц/, °. 38
Угол трения продукта о лопасть 0, °.... 31
Адгезионное давление массы к материалу
лопасти Па............................... 1500
Коэффициент заполнения месильной каме-
ры, не менее............................ 0,6
Необходимая производственная площадь 5пр,
м2...................................... 5,8
Технологический расчет. Необходимый объем
месильной камеры по (6.73)
V = 0//(бОрФз)=1000-30/(60-1200-0,6)=0,7 м’.
Объем месильной камеры
Ик =5к£ = 0,661,2 = 0,8 м\
где L - длина камеры, м; 5К - площадь поперечно-
2 / 2
го сечения камеры, mz; SK-HB + nR /2-лг =
=0,525-1,1 +3,14-0,2752/2 - 3,14 0.12 = 0,66 м2;
Н - высота прямоугольной части стенок камеры, м;
В - ширина камеры, м; R - радиусы днища, м;
г —радиус вала, м.
Таким образом, Гк > Г , что удовлетворяет
заданию.
Общие конструктивные параметры рабочих
органов. Площадь поверхности среза, образуемая
рабочим органом за один оборот,
^о(раб) = + »
где 5С - площадь поверхности, образуемая спира-
лью за один оборот, м2/об; 5Л - площадь поверхно-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ПРОДУКТОВ
419
сти, образуемая крепящими лопастями за один обо-
рот, м2/об;
5С = 4-0,6л(0,546 + 0,426) = 7,32 м7об;
5Л = 4-8-2л0,422/2 = 9,12 м7об;
4 - число спиралей; 0,6 м - длина спирали; 0,426 м и
0,546 м - соответственно внутренний и внешний
диаметры спирали; 8 - число крепящих лопастей на
спираль; 2 - число кромок лопасти, образующих
поверхность среза.
Суммируя, получаем 50(раб) =16,4 м2/об.
Удельная площадь поверхности, образуемая в
массе рабочим органом за один оборот,
^уд(п) =16,4/(0,7-0,б) = 39 м2/(м3-об).
Кинематические параметры рабочего органа.
Удельная площадь поверхности, образуемая в массе
после обработки, м2/м3,
\д =^уд(п)п^с’
где п - частота вращения рабочего органа, с-1.
Для пралиновой массы [23] 5уд =(10...30)х
Х103 м2/м3.
Принимая 5уд = 20000 м2/м3, fc = 600 с,
рассчитываем частоту вращения
п = 5уд /(5уд(„)Гс ) = 20000/(39 • 600) =
= 0,85 с-1 =50 мин1.
Силовой расчет. Нормальная сила (см. рис.
6.102, а), действующая на прямоугольную лопасть,
перпендикулярную оси вала, по (6.80),
Fni =0,012(0,2-1200-9,81 2,052+
+2-1500-2,05)=193 Н,
где 5Л =0,012 м2; Аср =0,2 м; р = 1200 кг/м3;
g =9,81 м/с2; у = 38 °; Fya = рад =1500 Па.
Окружная и осевая составляющие равнодейст-
вующей силы по (6.77), (6.78):
Fti = 193(0,342 4-0,601-0,940) = 175 Н;
Fai =193(0,940-0,601 0,342) = 141 Н,
где а = 70 ° (принимаем равным углу подъема спи-
рали): / = tgp = 0,601.
Энергетический расчет. Потребная мощность
на обработку массы лопастями по (6.76)
Ал = 4-8(175-0,684-141-0,21) = 4750 Вт;
vti = (тш/30)г = (3,14-50/30)0,13 = 0,68 м/с,
где г = 0,13 м - расстояние от оси вращения до
точки приложения равнодействующей (центр тяже-
сти); по (6.79)
vai= 0,68-0,342-0,940 = 0,21 м/с.
При расчете мощности не учтены силы, возни-
кающие при движении спирали в продукте. Так как
площадь спирали составляет около 20 % площади
лопастей, общая потребная мощность
А = 1,2-4750 = 5700 Вт.
Червячные пластикаторы. Пластикатор
твердых жиров представляет собой червячную
машину (рис. 6.104). В зоне загрузки / проис-
ходит разделение блока жира на отдельные
части, в зоне подпрессовки // - принудитель-
ная подача их на пластикацию, в зоне пласти-
кации /// - первичная пластикация, в зоне пла-
стикации-нагнетания IV образуется однородная
вязко-текучая масса, в зоне V - выгрузка.
Зоны загрузки и подпрессовки содержат
два режущих взаимозацепляющихся червяка,
причем для образования зоны подпрессовки их
последние витки заключены в замкнутую ка-
меру. В зоне пластикации установлены рабо-
чие органы для измельчения и пластикации,
выполненные в виде шестерен. Зона пластика-
ции-нагнетания IV образована двумя червяка-
ми с трапециевидным профилем нарезки, на-
ходящимися в плотном зацеплении.
Производительность зоны загрузки, кг/с,
и, следовательно, пластикатора
e = l,57(D12-d12)tn1pv3,
где Dj - наружный диаметр режущих червя-
ков, м; dj - внутренний диаметр червяков, м;
Рис. 6.104. Принципиальная схема пластикатора
14*
420
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
t - шаг винта, м; Пу - частота вращения чер-
вяков, с-1; \|/3 - коэффициент заполнения;
\|/3 = 0,2.. .0,3.
Наружный диаметр червяков определяет-
ся конструктивно исходя из размеров блока
разрезаемого материала.
Мощность, расходуемая на резание, Вт,
Урез = T$mSD\n\ созоц х
х(л/2-0С] +у+ cosycos(ot| -y)/cosoq),
где Tq - предельное напряжение сдвига мате-
риала, Па; т - число режущих витков червя-
ка, т = 2...3; у - угол трения продукта о ма-
териал червяка, рад; оц =(л-[3/2), рад; Р -
угол заострения режущей кромки червяка, рад;
5 - площадь винтовой поверхности, контак-
тирующей с материалом (равна площади вин-
товых поверхностей, расположенных выше
внутреннего диаметра нарезки), м2.
Производительность зоны пластикации,
кг/с,
Qn =2w2^2 (2л-а2)х
x(nD2tgq>2-e)(D2 -/^)p,
где «2 “ частота вращения червяка, с1; £>2 _
наружный диаметр червяка, м; - глубина
нарезки червяка, м; q>2 _ Угол подъема винто-
вой поверхности, рад; е - средняя толщина
витка червяка, измеренная в направлении оси
вращения, м; а2 - центральный угол, опреде-
ляемый зоной пересечения зацепляющихся
поверхностей червяков, рад.
Для обеспечения стабильной работы пла-
стикатора необходимо выполнение условия:
Q^-Qn-
Мощность, затрачиваемая на пластика-
цию, Вт,
Nn = 0,l5Wpe3.
Мощность электродвигателя, Вт,
где Г| - КПД привода.
Для пластикатора твердых жиров основ-
ные конструктивные параметры следующие:
Частота вращения режущих
червяков, с ................... 0,15...0,20
Частота вращения пластици-
рующих червяков, с 1 ...... 1,8...2,2
Наружный диаметр, м....... 0,10...0,15
Глубина трапециевидной на-
резки, м......................... (0,12...0,14)D2
Шаг нарезки, м.................... (0,2...0,3)D2
Валковые смесители. Смесительное и
диспергирующее воздействия в валковых сме-
сителях осуществляются вследствие разности
окружных скоростей валков.
Расход через зазор одной пары валков
[37], кг/с,
0 = ц/3А8г>срр,
где \|/3 - коэффициент заполнения, в данном
случае коэффициент полезного использова-
ния межвалкового пространства; L- длина
валка, м; 8 - зазор, м; гср - средняя скорость
материала, определяемая как полусумма ок-
ружных скоростей первого (медленного) и
второго (быстрого) валков, м/с.
Потребная мощность рассчитывается по
формуле (6.75). Расход энергии складывается
из затрат на разрушение материала и на обра-
зование новой поверхности.
Рассмотрим применение валковых машин
на примере кондитерского производства.
Пятивалковая мельница применяется для
смешения и измельчения рецептурных смесей
шоколадных, конфетных и других кондитер-
ских масс. Четыре валка мельницы (рис. 6.105)
установлены один над другим, а первый сме-
щен в сторону. Опоры валков установлены на
двух боковых стойках / станины, на которых
смонтирована регулирующая и контрольно-
измерительная аппаратура. Измельчаемый
материал поступает в воронку 3 со скребком 2.
Масса распределяется по длине валка и
подпадает в зазор между валками / и //. Часто-
та вращения валка // больше, чем валка /, по-
этому масса прилипает к валку // и поступает в
зазор между ним и валком ///. Валки /// - V
вращаются с возрастающей часто гой, в резуль-
тате чего продукт раздавливается и истирается.
С верхнего валка V масса снимается но-
жом 7, сила прижатия которого регулируется
штурвалом 6. Масса отводится из машины по
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ПРОДУКТОВ
421
Рис. 6.105. Пятивалковая мельница
наклонному лотку 8. Привод осуществляется
от электродвигателя, установленного на плите
4. Экстренная остановка осуществляется пово-
ротом рукоятки 5, связанной с фрикционной
муфтой. Для предотвращения поломки (в слу-
чае попадания с массой твердых примесей)
опорные подшипники валка I снабжены уст-
ройством со срезным штифтом.
Ротационная коншмашина (рис. 6.106)
для механической обработки шоколадных масс
состоит из цилиндрического резервуара с во-
дяной рубашкой, внутри которой расположены
перемешивающие и измельчающие рабочие
органы. На постаменте / установлен корпус
машины 12 с водяной рубашкой 11. Внутри
гранитной конусной чаши 6 вращаются три
подвесных гранитных конуса 5, которые внеш-
ней поверхностью обкатывают внутреннюю
поверхность конической чаши. Сила прижатия
конусов к чаше и, следовательно, зазор между
ними, регулируется.
В ванне, образованной пространством
между гранитной чашей 6 и корпусом 72, со-
вершают планетарное движение три фасонные
мешалки 7. Непрерывная зачистка внутренней
поверхности корпуса обеспечивается скребком
8. Сыпучая рецептурная смесь после пятивал-
ковой мельницы загружается в ванну коншма-
шины через патрубок 10 и перемешивается
мешалками 7, постепенно переходя из сыпуче-
го в пастообразное состояние.
После подачи жира штурвалом 2 откры-
вают заслонку 3, соединяющую ванну корпуса
с внутренним пространством гранитной чаши.
Шнек /6, расположенный на вертикальном
валу 7 7, обеспечивает принудительную цирку-
ляцию конфетной массы и, следовательно,
механическую обработку смеси.
Рис. 6.106. Ротационная коншмашина
422
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Привод рабочих органов осуществляется
от электродвигателя 13, который через ремен-
ную передачу 14 и редуктор 15 передает вра-
щение вертикальному валу 17, от верхнего
конца которого, расположенного в планетар-
ном редукторе 9, приводятся в движение кону-
сы 5, мешалки 7 и скребок 8. Выгрузка готовой
массы осуществляется через разгрузочное от-
верстие 4, перекрываемое задвижкой.
Сбивальные машины. Наиболее рацио-
нальное сбивание вязкой массы осуществляет-
ся сочетанием принудительной подачи воздуха
и интенсивным механическим воздействием,
осуществляемыми рабочими органами.
Сбивальная камера машины для непре-
рывного сбивания средневязких пищевых масс
(рис. 6.107) представляет собой цилиндриче-
ский сосуд 1 с коническим дном, снабженный
водяной рубашкой 2. В крышке 3 камеры
смонтирован подшипниковый узел 4 вала 5. На
валу закреплен рабочий орган 6 в виде рамной
мешалки, составленный из вертикальных 7 и
горизонтальных 8 прутков. Вал рабочего орга-
на присоединен к валу мотор-редуктора по-
средством легкоразъемной муфты 13. На на-
ружной поверхности камеры имеются два пат-
рубка 14 для подачи и выпуска воды и патру-
бок 15 для подачи воздуха. Воздуховод к фор-
сунке проходит внутри рубашки.
Исходная рецептурная смесь подается че-
рез входной патрубок 9 в сбивальную камеру 1.
Из воздухопровода 10 очищенный и осушен-
ный воздух через форсунку 11 попадает в
смесь, которая непрерывно обрабатывается
сначала нижней частью рабочего органа 6,
Рис. 6.107. Схема машины для сбивания
кондитерских масс
обеспечивающей насыщение массы воздухом,
а затем верхней частью с меньшим количест-
вом прутков, и масса стабилизируется. Сбитая
масса через патрубок 12 удаляется из камеры.
Расчет подобного устройства включает
определение следующих параметров.
Объемная производительность машины,
м3/с,
ео=с/р. (6.81)
Средняя скорость потока массы вдоль оси
камеры, м/с:
^ср=42о/(^к)- (6.82)
Внутренний диаметр камеры, м,
DK =D+(0,04...0,06) . (6.83)
где D - диаметр мешалки, м.
Высота зоны насыщения, м,
^ср^сб- (6.84)
где /С0 - продолжительность сбивания, с.
Конструкция рабочего органа должна
обеспечивать соотношение
^о(раб) ~ $о ч (6.85)
где £0(раб) - площадь, образуемая рабочим
органов за один оборот, м2/об; So - необходи-
мая для обработки данного материала площадь
поверхности, образуемая рабочим органом за
один оборот, м2/об.
В общем случае
^о(раб) = ^с(верт) + ^н(верт) + ^(гор) * (6.86)
где £с(верТ) ~ площадь поверхности, образуе-
мая вертикальными прутками зоны насыще-
ния; SH(BepT) - площадь поверхности, обра-
зуемая вертикальными прутками зоны стаби-
лизации; S(rop) - площадь поверхности, обра-
зуемая горизонтальными прутками.
Мощность, потребная на сбивание, Вт,
^=СууПэф«2£>3, (6.87)
где Сдг - коэффициент; Г|эф - эффективная
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ПРОДУКТОВ
423
динамическая вязкость материала, Па с; п -
частота вращения рабочего органа.
Пример расчета. Рассчитать сбивалку для
кремовой конфетной массы типа «Трюфель» [53].
Исходные данные следующие.
Производительность Q, кг/ч, не менее... 200
Плотность массы р, кг/м3............... 950
Объемная доля воздушной фазы <р, м3/м3.. 0,1
Диаметр мешалки D, м................... 0,20
Частота вращения л, с-1................ 4,5
Технологический расчет. Объемная произво-
дительность по (6.81)
Qo =Q/(3600p) = 200/(3600-950) = 58-10 6 м’/с.
Внутренний диаметр камеры по (6.83)
£>к = D + (0,4...0,06) = 0,20+0,04 = 0,24 м.
Средняя скорость потока массы вдоль оси ка-
меры по (6.82)
% =40о/(л°к) =
= 4 58-10-6/(3,14 0,24-2) = 0,0013 м/с.
Продолжительность сбивания
/сб = 1000/^ = 1000/4,5 = 222 с.
Высота зоны обработки по (6.84)
H = vC[)tCQ =0,0013-222 = 0,285 м.
Площадь поверхности, которую должен обра-
зовывать рабочий орган за один оборот,
= ^уд ^/( п^сб ) =
= 30000 -0,045/(0,6-1000) = 2,25 м2/об,
где 5уд = (30...40)-103 м2/м - удельная площадь
поверхности раздела фаз в кремовой массе;
Г = л£>2/4 = 3,14-0,242/4 = 0,045 м’ - объем
одновременно обрабатываемой массы; к$ =0,6 -
коэффициент, учитывающий эффективность конст-
рукции рабочего органа.
Формулу (6.86) для конструкции рабочего ор-
гана, представленного на рис. 6.107, имеет вид:
^о(раб)
'”н
= л 2//h£d,h
'"с
+ 2//c£%+6D
к=\
где Нн и Нс - высота зон соответственно насыще-
ния и стабилизации, м; i и к - число витков в зонах
соответственно насыщения и стабилизации с одной
стороны; DlH и Dkc - диаметры цилиндров, оме-
таемые осями прутков в зонах соответственно насы-
щения и стабилизации сбивания и насыщения, м.
При Нн =0,75 Н; Нс =0,25 Н; / = 2,
к = 4 , получим
50(Раб) = 3,14(2-0,75(0,0875 + 0,125 + 0,1625 +
+ 0,2) + 2-0,25(0,125 + 0,2) + 6-0,2) = 2 м2/об.
Условие (6.85) соблюдено.
Энергетический расчет. Для плоской рамной
мешалки:
CN =158Kn(KHzB +zr )(1-К3)/(1-К2) =
= 158-0,04(1,425-12 + 3)(1-0,23 )/(1-0,22 ) = 131,
где KH=HlD; K„=d„lD-, Kd=dlD - гео-
метрические симплексы; dn - диаметр прутка, м;
принимаем dn =0,008 м; d - диаметр вала, м;
принимаем t/ = 0,04 м; zB =2(z + &) - число вер-
тикальных прутков; zr = 3 - число горизонтальных
прутков.
Эффективная вязкость г| (Пас) рецептурной
смеси определяется при скорости сдвига
у = (30...40)/?(4m/(3/7z + l))w/(' ,
где т - индекс течения материала; для кремовой
массы т = 0,4.
При средней скорости сдвига 127 1/с, рассчи-
танной по формуле, эффективная динамическая вяз-
кость сбиваемой массы т| = 32 Па с.
Потребная мощность по (6.87)
У = 131-32-4,52 0,23 =680 Вт.
Смесители-пластикаторы. Расчет сме-
сителей с Z-образными лопастями периодиче-
ского действия для хлебопекарного теста, кон-
дитерского теста, кондитерских масс и др. про-
водится по методике, изложенной выше.
Перспективным является применение ин-
тенсивных методов обработки. На рис. 6.108
представлена схема смесителя-пластикатора
для непрерывной интенсивной обработки кон-
дитерской массы типа конфетной пралиновой.
В вертикальной цилиндрической камере / с
термостатирующей водяной рубашкой нахо-
дится вал 2 с несколькими парами прямоуголь-
ных лопастей 3.
424
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Лк
Рис. 6.108. Схема смесителя-пластикатора
Сыпучие компоненты непрерывно посту-
пают через загрузочное окно 4. Жир распили-
вается форсункой 6 и попадает в верхнюю
часть камеры 1 через конусный патрубок 5.
Потоки сыпучих и жидких компонентов пере-
секаются, что создает наилучшие условия для
образования предварительной смеси. Смесь
далее пластицируется лопастями 3 до конси-
стенции, необходимой для формования, и не-
прерывно подается через выпускное отверстие
7 на следующую операцию.
Объемная производительность смесите-
ля-пластикатора, м3/с,
2 = 7600(hiz/(r|3<|)p))£)3, (6.88)
где 7600 - эмпирический коэффициент;
к = 0,3...0,12 - отношение площади выпуск-
ного отверстия к площади, сметаемой лопастя-
ми; п = 0,2...3,0 - частота вращения лопа-
стей, с1; z = 3...4 - число пар лопастей;
Лэф _ эффективная вязкость массы (при ско-
рости сдвига « 5,5 1/с), Па с; D - диаметр
лопастей, м.
Потребная мощность определяется по
формуле (6.87), в которой
Cw=95,lSo(pa6), (6.89)
где 95,1 - эмпирический коэффициент, об/м3.
Пример. Рассчитать смеситель для бездрож-
жевого кондитерского теста, схема которого пред-
ставлена на рис. 6.109. В вертикальной камере 7,
двух состыкованных цилиндров с термостатирую-
щими водяными рубашками находятся валы 2. На
них установлены лопасти 3 для предварительного
смешения и несколько пар прямоугольных лопастей
4, верхняя из которых сплошная, а остальные с от-
верстиями Над фигурной площадкой в верхней час-
ти месильной камеры имеется загрузочное окно 6. В
нижней части камеры имеется выпускное отверстие с
шибером 7.
Сыпучие и жидкие компоненты непрерывно
поступают через загрузочное окно 6 на фигурную
площадку 5, на которой лопастями 3 осуществляется
их предварительное смешение. Смесь пластицирует-
ся лопастями 4 до консистенции, необходимой для
формования, и непрерывно подается через выпуск-
ное отверстие с шибером 7 на следующую операцию.
Исходные данные приведены ниже.
Производительность Q, кг/ч, не менее....... 600
Плотность массы р, кг/м3........................... 830
Влажность W,°/o................................................ 17
Эффективная динамическая вязкость мате-
риала чэф, Па с.................................... 420
Частота вращения и, с.............................. 0,25
Технологический расчет. Объемная произво-
дительность по (6.81):
Qo =600/(3600 830) = 200 10 6 м’/с.
Рис. 6.109. Смеситель-пластикатор
для кондитерского теста
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ПРОДУКТОВ
425
Учитывая, что валов два, производительность
каждого составляет 100-10 6 м3/с.
Диаметр лопастей из (6.88)
D = [100-Ю'6 .420.830/(7600 0,2 0,25.4)]'/3 =
= 0,29 м.
Внутренний диаметр камеры
Ок = 0,29 + (0,004...0,006) = 0,34 м.
Шаг лопастей
/г = (0,22...0,25)0 = 0,07 м.
Ширина лопасти
/> = (0,20...0,2)0 = 0,06 м.
Длина лопасти
/ = (0-0,05)/2 = 0,12 м.
Отверстие в лопасти
6о =0,76 = 0,4 м; /О=0,7/ = 0,08 м.
Высота рабочей камеры
Нк =(z-\)h + 0J\b + 0A =
= (4-1)0,08 + 0,710,07 + 0,4 = 0,65 м.
Ширина рабочей камеры
LK = l,8D = 0,52 м.
Энергетический расчет. Площадь поверхно-
сти, образуемой рабочим органом за один оборот,
5о(раб) = 4-3,14-0,29(1,7-4-0,7) = 22 м2/об.
Потребная мощность по (6.87) и (6.89)
N =95,1-22-420 0,252 0,292 =1400 Вт.
6.4.3. МАШИНЫ
ДЛЯ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ЖИДКИХ СРЕД
Механические мешалки. В механиче-
ских мешалках ряд лопастей различной конфи-
гурации, насаженных на вращающийся вал,
обеспечивают различную степень интенсивно-
сти перемешивания, в связи с чем их подразде-
ляют на быстпоходные и тихоходные [28, 72,
73]. К быстроходным мешалкам (рис. 6.110),
работающим преимущественно в переходном и
турбулентном режимах движения перемеши-
ваемой среды, относятся лопастные, пропел-
лерные и турбинные мешалки, а к тихоходным -
якорные и рамные мешалки, работающие в
области ламинарного движения среды (рис.
6.111). Характеристика основных типов меша-
лок приведена в табл. 6.21.
Мешалки часто снабжаются дополни-
тельными элементами для создания благопри-
ятных условий проведения процесса, а также
для осуществления процессов, сопутствующих
перемешиванию. К ним относятся: отража-
тельные перегородки в виде плоских пластин,
закрепленных вертикально на внутренней по-
верхности корпуса аппарата с целью исключе-
ния образования воронки в жидкости при пе-
ремешивании; соосные диффузоры для созда-
ния направленной циркуляции жидкости; змее-
вики для охлаждения и нагрева. Следует учи-
тывать, что наличие подобных устройств уве-
личивает расход энергии на перемешивание и
требует дополнительных затрат на их изготов-
ление и эксплуатацию, поэтому их количество
должно быть минимальным.
Рис. 6.110. Быстроходные механические мешалки:
а - пропеллерная; б - турбинная;
1 - аппарат, 2 - рабочий орган (мешалка); 3 - вал; 4 - соосный цилиндр (диффузор)
426
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
а) б) в)
Рис. 6.111. Тихоходные механические мешалки:
а - якорная; б - шнековая; в - ленточная;
1 - аппарат; 2 - рабочий орган (мешалка); 3 - вал; 4 - соосный цилиндр (диффузор)
6.21. Характеристика мешалок основных типов
Тип мешалки Число Reu на границе режимов Кф Сл 5м кг Г/?
лами- нарного и пере- ходного переходного и турбулент- ного турбулентного с сохранением сплошности и турбулентного с нарушением сплошности
Трехлопастная 102 5 (1О2..1О3) 1,67- 105 0,287 1,1 0,56 0,0028 3...6
Турбинная: открытая закрытая 10 ю2 102...103 103 7,39 • 104 1,12 • 105 0,44 0,263 3,5 1,31 8,4 4,2 0,0013 0,0028
Шестилопастная 50 5102 1,38- 105 0,58 2,5 3,0 0,0013 2...4
Клетьевая 50 2- 102 — — — 23,5 3...6
Лопастная 10 5 (10...104) 9,44- 104 0,345 2,2 0,88 1,5...2,5
Трехлопастная эмали- рованная ю2 5- 102 1,7- 105 о,з 4,0 2,3 1,5...3,0
Лопастная эмалирован- ная 2- 102 5 • 102 В турбулентном режиме не применяются - 0,88 1,2
Рамная 103 104 1,28 1,1...!,3
Якорная эмалированная 2- 102 6- 102 1,28 0.0028 1,15
1,5
2,0
Якорная с наклонными лопастями эмалирован- ная 102 5- 102 1,0 0,0013 1,5...3,0
Примечание. Условные обозначения: Reu - центробежный критерий Рейнольдса; - коэффици-
ент формы; £л - сопротивление лопаток; £>м - сопротивление мешалки; Гп - симплекс, Г/> = D/dM\ dM - диа-
мегр мешалки; D - диаметр аппарата.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ПРОДУКТОВ
427
Расчет быстроходных мешалок. Расчет
аппаратов для перемешивания жидких сред
сводится к определению мощности перемеши-
вания
N = KNpn3d3, (6.90)
где Км - критерий мощности; р - плотность
перемешиваемой среды, кг/м3; п - частота
вращения вала мешалки, с-1; - диаметр
мешалки, м.
Критерий мощности Кц определяется
центробежным критерием Рейнольдса Reu :
^=/(Reu). (6.91)
Характер зависимости (6.91) эксперимен-
тально определен для ряда мешалок (рис.
6.112) [28, 72, 73]. Определив значение крите-
рия Reu и используя зависимость (6.91), соот-
ветствующую данному типу мешалки, уста-
навливают величину К к . Затем по (6.90) рас-
считывают искомую мощность перемешива-
ния. При этом необходимо, чтобы отношение
диаметра вновь создаваемого аппарата D к
диаметру мешалки dM находилось в пределах
изменения симплекса VD=D/dM экспери-
ментальной установки, для которой построена
зависимость (6.91). В противном случае
определяют расчетным путем:
Приэтом Kn=4^mKi, (6.93)
№ кривой Тип мешалки Тип аппарата Гл № кривой Тип мешалки Тип аппарата Гп
/ Лопастная Гладко- стенный 1,5 4 Лопастная С отража- тельными перегород- ками 1,5
2 Закрытая турбинная 3,0 5 Закрытая турбинная 3...4
3 4,0 6 Рамная Гладко- стенный 1,15
7 Лопастная 1,5...2,0
Рис. 6.112. Зависимости критерия мощности KN от критерия Re,
428
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Коэффициент Ку является функцией па-
раметров распределения скорости в мешалке
Ф1 и \|/2, связанных между собой соотноше-
нием
(6.94)
Ф2 =-ф1 -Ф2У1 •
Рис. 6.113. Зависимости параметра
гидравлического сопротивления Е от ф!:
/-для клетьевых мешалок;
II - для трехлопастной, открытой и закрытой тур-
бинных, шестилопастной, лопастной и лопастных
эмалированных для Го = 10; 8; 6; 5; 4; 3; 2; 1,5;
///- для рамных и якорных эмалированных мешалок
для Го= 1,3; 1,25; 1,20; 1,15; 1,10; 1,05
Величину определяют из графиче-
ской зависимости Е = /ф] (рис. 6.113), пред-
варительно рассчитав значение параметра гид-
равлического сопротивления Е по формуле
ф(^'м Re'*’25)
(6.95)
где ф - параметр высоты заполнения; zM -
число мешалок на валу.
Для мешалок со свободным пространст-
вом над поверхностью жидкости
8Н .
Ф = —+1. (6.96)
для заполненных аппаратов
8Н о
Ф =----+ 2. (6.97)
где Н - высота заполнения мешалки.
Для быстроходных мешалок значения
Ф| =0,5 и <J>2=1,25. Для тихоходных ме-
шалок они устанавливаются по графику на рис.
6.114 в зависимости от критерия Г£>. Пользу-
ясь этим графиком, также определяют Ку для
быстроходных мешалок в зависимости от ф|.
Для трехлопастных, винтовых, открытых
и закрытых турбинных шестилопастных, лопа-
стных стальных и эмалированных мешалок
коэффициент
Ку =0,1ф2 +0,222ф|ф2 +0,125ф2 • (6.98)
При проектировании гладкостенных ап-
паратов необходимо ограничивать частоту
вращения мешалки некоторым ее предельным
значением ипр , при которой воронка достига-
ет глубины установки мешалки h^y и, как
следствие, нарушается стабильность работы
аппарата. Глубина воронки
(6.99)
Значение В определяют по зависимости
Е = /(ф) на рис. 6.114 или рассчитывают по
формуле
В = By + В^,
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ПРОДУКТОВ
429
Рис. 6.114. Зависимости параметров
Ф1 и Ф2 от Гр, В и К\ от Л*Вц от Ф„
где
f 1 4* \|/ 2 + 0,8 \|/1 4* 0,5 7 \|/12 т
л
+0,334/2+0,254/?);
#2 ~гм О + ЧО +V2)2
гм - радиус мешалки, м; R - радиус аппара-
та. м.
Необходимое условие
20</’м-
Если это условие не соблюдается, то
нужно повторить расчет при меньшей частоте
вращения мешалки, добиваясь его выполнения.
Предельную частоту вращения мешалки ипр
можно найти, воспользовавшись уравнением
/ in V0’5
Dr* л л л.0,58/^ 0,51 1 I j—0,58
Кец.пР=0,4йм1 Ga 1-—— dM ,
k Ga ’ )
где Reunp - предельное значение критерия
Рейнольдса; Reu пр - рипр^ /ц; Ga - крите-
рий Галилея; •
Расчет тихоходных мешалок. Как уже
отмечалось, тихоходные перемешивающие
устройства работают преимущественно при
ламинарном движении жидкости. Мощность
перемешивания жидкости при этих условиях
определяется уравнением
W=Qi/j2J3, (6.100)
где С - коэффициент, зависящий от конструк-
ции мешалки;
С = 7Г2/2[2ЛА2 (I/JM )2 +
+3,5z0(l-2bB/</M )3] ; (6.101)
для шнековой и шнековой в направляю-
щей трубе
с=(я2/б)л2(//,/4)[1-(^/4)3];
(6.102)
для ленточной со скребками
+z0k3(H/dM)(DjdM)2 аГ'+
+zck4(H/dM)(D0/dM)2ar1]', (6.ЮЗ)
2Л - число лопастей для рамной или число
заходов витков винтовой линии шнековой и
ленточных мешалок; 7/| - высота рабочей
части мешалки, м; Ьл - ширина витка ленты
или ширина лопасти рамной мешалки, м; Zq -
число вертикальных штанг для ленточной ме-
шалки или число горизонтальных траверз для
рамной мешалки; dB - диаметр вала; Do -
диаметр окружности осей вертикальных штанг
ленточной мешалки со скребками, м.
Множители и а™ 1 в уравнении
(6.103) принимаются в расчет при перемеши-
вании аномально вязких сред с индексом тече-
ния т. Значения а0 и ас определяются из
зависимостей:
«о=(^зЛ2)(^Ло);
<7С =(*4/*2 )(*л/*с ) •
430
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Значения коэффициентов > ^3 ’ ^4 на‘
ходят по рис. 6.115.
Для определения коэффициента от"
ношение зазора 5 между стенкой и вращающи-
мися элементами к ширине b витка шнека 8/b
следует принять:
для рамной, ленточной, ленточной со
скребками мешалок
8 = D-du _
Ья 2ЬЛ
для шнековой
2ЬШ
для шнековых в направляющей трубе
_ ^т ~~^м
где dT =(1,05... 1,15)<УМ - диаметр направ-
ляющей трубы шнека, м.
Коэффициент к^ определяется при
8 D-Dq
Ьл 2Ь()
где - ширина проекции вертикальной
штанги ленточной мешалки со скребками на
радиальную плоскость, м.
Для определения коэффициента к^ при-
нимают
8/6с=0,
где Ьс - ширина проекции скребка на ради-
альную плоскость, м.
В случае перемешивания ньютоновских
жидкостей (/и=1) в формуле (6.103)
ао = ас ~ 1 •
Зависимости (6.101) - (6.103) справедли-
вы для нормализованных перемешивающих
устройств, работающих в ламинарном режиме
и имеющих следующие геометрические пара-
метры:
для шнековых мешалок
<7М/£> = 0,4...0,44 ; HjdM = 0,6...2,5;
JB/JM =0,18...0,22; // £> = 1,0;
для ленточных мешалок
<7М/£> = 0,92...0,97; Hx/dM = 0,8...5,5;
JB/JM = 0,07...0,12; //£> = 1,0 ;
Н/£> = 0,9...2,5; 6л/б/м=0,1;
для ленточных мешалок со скребками
4/Р = 1,0; Я,/</м=1,5...2,7;
t/D = \,Q-, 6ЛД/М =0,095; £>0/£> = 0,85,
где t - шаг винтовой линии, м.
Мощность двигателя мешалки
Рис. 6.115. Коэффициенты, учитывающие
влияние зазоров между стенкой
и вращающимися элементами мешалок:
1 - для рамной, ленточной и ленточной
со скребками; 2 - для шнековой и
шнековой в направляющей трубе
где N - мощность перемешивания, рассчи-
танная по (6.90) и (6.100); ц - КПД привода.
Многочисленные опыты, проведенные с
различными мешалками, показывают, что в
период пуска силы, действующие на лопасти
мешалки со стороны жидкости, возрастают в
2,5-4,5 раза по сравнению с силами, действую-
щими при установившемся режиме в рабочем
периоде. Поэтому требуется применение асин-
хронных двигателей с контактными кольцами,
которые при включении в цепь ротора доба-
вочного сопротивления допускают кратковре-
менную перегрузку на 200...300 %.
Пример. В гладкостенный аппарат диаметром
2 л залито 600 л воды температурой 20 °C, затем
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ПРОДУКТОВ
431
внесена поваренная соль из расчета 20 кг на 100 л
воды. Для перемешивания этой смеси установлена
одна открытая турбинная мешалка с заглублением
1,8 м и частотой вращения 2,05 с-1. Найти мощ-
ность перемешивания, если плотность соли равна
1060 кг/м3, а динамическая вязкость воды при 20 °C
составляет 1,005 • 10'3 Па с.
Принимаем Гр = 4 . Тогда =2/4 = 0,5 м.
Коэффициент сопротивления мешалки по табл. 6.21
£м=8,4.
Общее количество соли в растворе равно
1200 кг. Объем этого количества соли Ед =
= 1200/1060 = 1,132 м3. Тогда объемная концен-
трация соли в растворе
К= 1,132/(1,132 + 6000/1000) = 0,16 (16 %).
Плотность раствора соли
р = 10 [1,42/<-г (100 -/€)] =
= 10 [1,42 • 16 + (100- 16)] = 1067 кг/м3.
Вязкость раствора
ц = цс (1+2,5Я) =
1,005 • 10’3 (1 + 2,5 • 0,16) = 1,407 103 Па с,
где Цс - вязкость воды при 20 °C.
Высота заполнения аппарата
//= 4(6 + 1,132)/3,14 • 22 = 2,271 м.
Центробежный критерий Reu по (6.92)
Reu =(1067-2,05-0,52 j/1,407-10-3 =3,5-105
(режим турбулентный).
Параметр высоты заполнения по (6.96)
Ф = (8 • 2,271)/2 + 1 = 10,08.
Параметр гидравлического сопротивления по
(6.95)
Е = 10,08 / [8,4 (3,5 • 1О5)0’25] = 0,05.
Параметр распределения скорости по кривой
Г/; = 4 для открытых турбинных мешалок в зависи-
мости от Е ф]=-0,2.
Параметр распределения скорости по (6.94)
ф2 = -0,5 - 1,25 (-0,2) = -0,25.
Параметр глубины воронки по зависимости
В = /^(ф|)=13 (см. рис. 6.114).
Глубина воронки по (6.99)
z0 = (о,5-2,052 0,5-1з)/9,81 = 1,392 м.
Условие безопасности z0 < hM । выполнено,
так как 1,392 <1,8 .
Коэффициент Ку =0,02 по графику
К, = /(vi) (рис. 6.114) Кх =0,023 по (6.98).
Критерий мощности по (6.93)
Ед) = 4-8,4 0,023 = 0,77.
Мощность перемешивания согласно (6.91)
W =0,8-1067-2,05“3-0,55 =233 Вт.
Статические смесители. Главной конст-
руктивной особенностью этих смесителей яв-
ляется отсутствие подвижных рабочих органов.
Перемешивание компонентов осуществляется
за счет турбулизации потока путем установки в
каналах различных вставок (спиралей), перио-
дическим изменением размера сечения канала
(сужение - расширение), введением распреде-
ляемого компонента в основной поток через
сопло и др. Статические смесители имеют не-
большие габаритные размеры при высокой
производительности. Отсутствие движущихся
частей исключает необходимость применения
уплотнений, подшипниковых узлов, привода и
связанных с ними мероприятий по техниче-
скому обслуживанию [54].
Используемые на практике смесители
рассчитываются, главным образом, на основа-
нии экспериментальных данных.
Ниже рассмотрены устройство для пере-
мешивания и насыщения воздухом кондитер-
ских масс (рис. 6.116) и методика его расчета.
На крышке герметичного цилиндрокони-
ческого корпуса 1 установлен рабочий орган 2,
представляющий собой совокупность трех
узлов: вертикального цилиндрического канала,
состоящего из двух труб различного внутрен-
него диаметра, соединенных коническим пере-
ходником, концентричного стакана 3 и пнев-
моканала 4 для подачи сжатого воздуха.
Предварительно перемешанная смесь по-
дается по тангенциальному патрубку 5 в рабо-
чий орган 2. Благодаря тангенциальному под-
воду смесь движется по винтовой траектории
сверху вниз по каналу рабочего органа. Одно-
временно через концентричный пневмоканал 4
подается сжатый воздух в поток смеси. Пнев-
моканал имеет отверстия по всей его длине,
благодаря чему осуществляется равномерное
насыщение смеси воздухом на всех участках
рабочего органа 2. Течение смеси по винтовой
432
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Рис. 6.116. Устройство для перемешивания и
насыщения воздухом кондитерских масс:
-----> - масса;-----> - воздух
траектории способствует интенсификации
процесса перемешивания ее компонентов, а
также активному диспергированию и равно-
мерному распределению воздушных пузырь-
ков. Винтовое течение относится к числу тече-
ний с двойным сдвигом. Воздушные пузырьки,
подвергаясь двойному напряжению сдвига,
деформируются и распадаются на более мел-
кие частицы активнее, чем при простом прямо-
линейном течении. Следовательно, дисперс-
ность и однородность воздушных включений в
сбитой массе будут высокими при обработке
смеси в закрученном потоке.
При выходе из рабочего органа скорость
потока смеси уменьшается и дальнейшее ее
насыщение продолжается в менее интенсивном
гидродинамическом режиме в кольцевом про-
странстве в стакане 3. В этой зоне происходит
стабилизация пенообразной структуры смеси и
окончательное ее насыщение воздухом. Смесь,
двигаясь в стакане сверху вниз, переливается
через верхний открытый торец и скапливается
в нижней части корпуса 7. Избыток воздуха
заполняет свободное пространство над поверх-
ностью насыщенной массы и создает давление,
которое подпрессовывает последнюю. Оттем-
перированная и насыщенная воздухом масса
под действием давления воздуха удаляется из
устройства. При выходе из корпуса с избыточ-
ным внутренним давлением в наружное про-
Рис. 6.117. Рабочий орган устройства
для перемешивания и насыщения воздухом
кондитерских масс
странство происходит расширение массы, в
результате чего снижается ее плотность.
Процесс перемешивания и газонасыще-
ния осуществляется в основном в нижней тру-
бе (рис. 6.117) меньшего радиуса, длина кото-
рой значительно больше длины верхней трубы.
Внутренний радиус верхней трубы незначи-
тельно отличается от радиуса нижней трубы:
7?! -(1,25... 1,30) R2,
где R2 - внутренний радиус нижней трубы.
Длина верхней трубы равна
Л=А/(5...6),
где L - общая длина рабочего органа.
Таким образом, цель расчета сводится к
определению внутреннего радиуса нижней
трубы и общей длины рабочего органа, а также
мощности нагнетателей смеси и воздуха.
Задается массовая производительность,
кг/с,
Qm 2 Кеопт
1+~ReoriT 4)ф0
(6.104)
где R2 - внутренний радиус нижней трубы, м;
|1Э - эффективная динамическая вязкость мае-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ПРОДУКТОВ
433
сы, Пас; ReonT - оптимальное число Рей-
нольдса; Z - теоретическая безразмерная
длина затухания потока; Яд,Фд - постоян-
ные.
Для решения (6.104) относительно радиу-
са необходимо подставить значения вели-
чин, входящих в уравнение:
динамические вязкости массы. Так как
практически все пищевые массы являются
аномально вязкими, в том числе и пенообраз-
ные, то для определения вязкости необходимо
иметь кривую течения. Установлено [47 - 49],
что при скоростях и виде течения, имеющих
место в рассматриваемом устройстве, значение
вязкости берется для предельно разрушенной
структуры. Кривые течения многих пищевых
масс приведены в [47 - 49]. Например, для
сбивных конфетных масс динамическая вяз-
кость принимается равной 540 Па с, что соот-
ветствует скорости сдвига 90... 100 с-1;
значение критерия ReonT, которое опре-
деляется путем оптимизации процесса пере-
мешивания и газонасыщения конкретной мас-
сы на основе проведения опытов на модели;
значения постоянных Aq и Фд, опреде-
ляемых расчетом по зависимостям,
Ао =7Йёр,
Постоянная Р является функцией крите-
рия Re и ее значение подбирается путем чис-
ленного решения трансцендентного уравнения
р2+Rep-4^Rep-8 = 0.
Постоянная
Ао р2 + Ао
=------------.
и 2 8
Общая длина рабочего органа рассчиты-
вается из соотношения
А/Е>2 =Ю,9,
где L - длина рабочего органа, - внут-
ренний диаметр нижней трубы.
Экспериментально определяется соотно-
шение жидкой и газовой фаз Qr/Qy (Qr -
объемный расход воздуха, м3/с, Qy - объем-
ный расход массы, м3/с). Для сбивных конфет-
ных масс нормальной плотности это соотно-
шение составляет 0,46...0,51 при температуре
массы 55...60 °C.
6.4.4. МАШИНЫ
ДЛЯ СМЕШЕНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ
Физические основы смешения. Процесс
смешения различных по физико-механическим
свойствам сыпучих материалов предполагает
получение на выходе из машины однородной
по составу смеси, в любой точке которой к
каждой частице одного компонента примыка-
ют частицы других компонентов в соотноше-
нии, заданном рецептурой.
Качество смешения зависит от многих
факторов:
плотности смешиваемых материалов;
размера частиц материалов;
влажности смешиваемых материалов;
формы частиц материалов;
адгезионных свойств частиц компонен-
тов.
С учетом этих факторов разработан
большой парк смесителей, различающихся по
структуре рабочего цикла, по характеру воз-
действия и по конструктивным признакам.
По структуре рабочего цикла смесители
различаются на машины непрерывного либо
периодического действия. Характер воздейст-
вия на смешиваемые материалы в основном
механический с весьма широким набором кон-
струкций рабочих органов. Известны смесите-
ли, использующие пневматический и гравита-
ционный характер воздействия.
Процесс, протекающий в камере смеше-
ния, можно условно разделить на три элемен-
тарные фазы.
На рис. 6.118 показано изменение коэф-
фициента неоднородности смеси Kv во вре-
мени t.
Фаза / - разрушение рабочими органами
смесителя отдельных блоков, состоящих из
частиц одного компонента, сопровождающееся
распределением частиц по рабочему объему
смесителя. Этот процесс - конвективный. Он
характерен быстрым уменьшением коэффици-
434
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Рис. 6.118. Изменение коэффициента
неоднородности смеси Kv во времени t
ента смешения Kv и низким значением скоро-
сти сегрегации (процесса объединения компо-
нентов в отдельные блоки).
Фаза II - происходит перераспределение
отдельных частиц. Процесс сегрегации начина-
ет сказываться на итогах процесса смешения,
поэтому величина Kv уменьшается во време-
ни значительно медленнее. На этой стадии
процесс смешения аналогичен процессу диф-
фузии молекул газа, поэтому эта фаза называ-
ется диффузионной.
Фаза III - скорости процессов смешения
и сегрегации становятся примерно равными,
поэтому величина Kv практически не меняет-
ся. Дальнейшее смешение становится бес-
смысленным.
Цель исследователя и конструктора -
уменьшить продолжительность первой фазы,
продлить продолжительность диффузионного
смешения. Это возможно за счет следующего:
разработки более эффективных рабочих
органов;
увеличения частоты воздействия на про-
дукт;
использования магнитных и электриче-
ских полей;
применения дополнительного импульс-
ного воздействия;
комбинированного воздействия на про-
дукт с наложением вибро - и псевдоожижения.
Для математического описания процесса
смешения сыпучих материалов используется
[45] диффузионная двух параметрическая мо-
дель, согласно которой смешение частиц мате-
риалов происходит одновременно в продоль-
ном и поперечном направлениях камеры сме-
шения.
dC
dt
dC ~ d2C
= -w— + Dr —— +
dx L dx2
DRdfdC\
RdR\ dRJ9
(6.105)
здесь - коэффициент продольного смеше-
ния; Dr - коэффициент поперечного (ради-
ального) смешения; R - радиальная коорди-
ната исследуемой области смеси в аппарате;
w - линейная скорость потока материала;
С - концентрация ключевого компонента в
исследуемой области смеси; t - время с мо-
мента начала процесса смешения.
Для решения уравнения (6.105) необхо-
димо знать величины Dr и Dr, которые оп-
ределяют при испытаниях опытного образца
смесителя, представляют в виде безразмерных
комплексов Пекле:
Ре= wb/Dl или Ре = wb/Dr ,
где L - определяющий линейный размер ап-
парата.
Если Ре = оо , то диффузионная модель
переходит в модель идеального вытеснения,
при Ре = 0 - в модель идеального смешения.
Качество смешения в значительной степени
зависит от кратности перемещения объема
смешиваемых материалов в смесителе.
Считается [50, 52], что если в смесителе
дискретного действия рабочие органы переме-
щают 10-12 объемов циклической производи-
тельности, то требуемая однородность смеси
будет достигнута. Кратность перемещения
объема продуктов, находящихся в смесителе
периодического действия,
£?owcpPcp^u
тп =-----------,
Qn
где Qo - объем, занимаемый продуктом, м3;
wCp - средняя скорость перемещения продук-
та, м/с; рСр - среднее значение плотности
смеси, кг/м3; /ц - время цикла смешения, с;
Qn - производительность смесителя за один
цикл, кг/с.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ПРОДУКТОВ
435
Кратность перемещения объема продук-
та, находящегося в смесителе непрерывного
действия,
во wcpPcp
=----------
где QH - производительность непрерывно
действующего смесителя, кг/с.
Для оценки качества смешения одной
случайной величиной смесь условно считают
двухкомпонентной: один компонент называет-
ся ключевым, а остальные объединены условно
во второй компонент. Процесс смешения будет
лучше выполнен там, где отдельные значения
содержания ключевого компонента Cz ближе
к содержанию его в смеси при идеальном рас-
пределении. Если известны значения Cz в
восьми - десяти пробах, взятых из смеси, то
оценка смеси производится [50, 51] по значе-
нию коэффициента неоднородности, %,
к, =^100,™
с с
где пс - среднее квадратическое отклонение
содержания ключевого компонента в пробах;
Со - средняя массовая концентрация ключе-
вого компонента в смеси; п - общее число
взятых проб.
Чем меньше величина Kv , тем однород-
нее смесь.
Смесители периодического действия.
Механические смесители периодического дей-
ствия подразделяются на вращающиеся и
транспортирующие. Схемы вращающихся ба-
рабанных смесителей различных типов пред-
ставлены на рис. 6.119. Вал барабана совпадает
или с осью симметрии барабана, или с его диа-
гональю.
Для совмещения смешения с частичным
измельчением сыпучих материалов использу-
ются шестиугольные барабаны (рис. 6.119, в).
Смешение материалов, не допускающих дроб-
ления, проводят в барабанах с коническим
дном (рис. 6.119, г) Наиболее эффективно
смешение в барабане V-образной формы (рис.
6.119, е) с углом 90° при вершине.
В смесителях (рис. 6.120) ось вала совпа-
дает с диагональю барабана. Смешение проис-
ходит при пересыпании в вертикальной плос-
кости с одновременным перемещением в гори-
зонтальном направлении.
Расчет смесителя начинается с определе-
ния критической частоты вращения барабана,
при которой центробежная сила прижимает
частицы продукта к внутренней поверхности
барабана без проскальзывания. Пересыпания, а
значит, и смешения при критической частоте
вращения происходить не будет.
Критическая частота вращения, мин ’,
лкр =42,з/л/о ,
где D - внутренний диаметр барабана.
Для смесителей совмещающих смешение
с тепловой, механической или химической
обработкой, рекомендуется поддерживать час-
тоту вращения п барабана в пределах 1...10 %
критического числа:
Рис. 6.119. Схемы основных типов
барабанных смесителей
Рис. 6.120. Барабанный смеситель
типа «пьяная бочка»:
7 - барабан; 2 - привод; 3 - стойки
436
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Степень наполнения не должна превы-
шать 30 % объема барабана. Это необходимо
для обеспечения интенсивного массообмена,
что происходит при пересыпании материалов в
вертикальной плоскости. Число пересыпаний
(перемещений) тп для каждого сыпучего ма-
териала устанавливается экспериментально.
Время смешения, мин,
^см ~ wn /п •
Производительность барабанного смеси-
теля, кг/ч,
йэРср 60
где t3 - время загрузки барабана, мин; /в-
время выгрузки, мин.
Транспортирующие смесители периоди-
ческого действия характерны многократным
перемещением (циркуляцией) смешиваемых
материалов по внутреннему замкнутому кон-
туру (рис. 6.121).
Шнековые рабочие органы отличаются
развитой рабочей поверхностью, но малой
эффективностью смешения (рис. 6.122):
а) наиболее простой; б) с добавлением лопаток;
в) с разрезным пером шнека, повышающим
интенсивность перемещения продукта в ради-
альном направлении.
Шнековые смесители делятся на верти-
кальные и горизонтальные. У вертикального
смесителя, показанного на рис. 6.123, корпус
выполнен в виде конуса 1. На валу 2 закрепле-
ны спиральная лопасть 3, радиальные лопатки
4 и спиральная лопасть 6. Наклон лопаток 4 и
направление навивки спиральной лопасти 6
противоположны направлению навивки лопа-
сти 3. Вал вращается от электродвигателя 7
через редуктор 8. Выгрузка смеси проводится
через патрубок 5.
Рис. 6.121. Схемы перемещения продукта:
а - в горизонтальном спирально-ленточном смесителе; б - в вертикальном лопастном;
в-в вертикальном шнековом смесителе;
/ - рабочий орган; 2 - корпус; 3 - задвижка
Рис. 6.122. Шнековые рабочие органы
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ПРОДУКТОВ
437
Частота вращения вала 8 мин-1, объем
камеры смешения 1,5 м3, мощность электро-
двигателя 4,5 кВт.
Циркуляционный смеситель (усредни-
тель) (рис. 6.124) отличается двумя потоками
материала, разделенными неподвижными ко-
нусами 3, где материал подвергается смеше-
нию радиальными лопатками 2. Интенсивное
смешение происходит при трении продукта о
кожух 4 и при вращении вокруг вала шнека. В
верхней части бункера смонтирована распре-
делительная решетка 7. Объем смесителей
этого типа 5... 100 м3.
Шнековые смесители периодического
действия с приводом от планетарного меха-
низма представлены на рис. 6.125. Шнек (рис.
6.125, а) одновременно вращается вокруг своей
геометрической оси конусного бункера. Такое
движение обеспечивается приводом и водилом
3. внутри которого смонтирована цепная пере-
дача или пара конических шестерен. В зоне
вращающегося шнека продукт перемещается
вверх, а в остальной части бункера - вниз. Та-
ким образом организована циркуляция продук-
та внутри корпуса смесителя.
Мощность, необходимая для вращения
шнека вокруг своей оси и оси бункера, кВт,
^ = l,15•10-3Cнш£шpcpFyд(4sin2p + l),
(6.106)
где С - коэффициент сопротивления, опреде-
ляемый экспериментально; £ш - длина шнека,
м; Р - угол конусности корпуса, °; Fy4 -
удельная площадь поверхности шнека, м2/мм;
ЕуЛ = (2 Fj + F2) Ia ; Fj - площадь одной
стороны витка шнека, м2; F2 - площадь вала
на длине в один шаг витка, м2; а - шаг витков
шнека, мм.
Схема горизонтального шнекового сме-
сителя представлена на рис. 6.126. Заполнение
бункера 5 сыпучими компонентами проводится
при закрытой решетчатой задвижке 7 через
загрузочный ковш 7, при помощи нижнего
шнека 2, ковшового элеватора 3 и верхнего
шнека 4. По окончании загрузки решетчатая
задвижка открывается, и продукт многократно
перемещается в смесителе тем же путем. Во-
рошитель 6 ускоряет процесс смешения.
Производительность вертикального вин-
тового конвейера, кг/с,
вп — 09013/)кб1Цш^РсрЧ/з ’
Рис. 6.124. Циркуляционный смеситель
«Вертамикс»
Рис. 6.125. Смесители с планетарным приводом:
а - одиночный; б - сдвоенный;
1 - патрубок; 2 - электродвигатель; 3 - водило;
4 - шнек; 5 - корпус; 6 - патрубок для выгрузки смеси
438
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Рис. 6.126. Схема горизонтального шнекового смесителя:
1 - приемный ковш; 2,4- шнеки; 3 - ковшовый элеватор; 5 - бункер; 6 - ворошитель;
7 - решетчатая задвижка; 8 - выпускной патрубок
где DK - внутренний диаметр кожуха, м; а -
шаг винта, м; иш - частота вращения шнека,
мин-1; к - геометрический коэффициент, учи-
тывающий часть сечения, занимаемую винтом
с валом; к = 0,9...0,95; рср - средняя плот-
ность смеси, кг/м3; ц/3 - коэффициент запол-
нения кожуха; для «Вертамикс» ц/3 =0,75... 0,8.
Необходимая мощность для привода вер-
тикального шнека, кВт,
102т| v 7
где Н - высота кожуха, м; к\ - коэффициент,
учитывающий потери на трение в подшипни-
ках; = 1,15... 1,20; со - коэффициент сопро-
тивления перемещению продукта: для пшени-
цы со = 4,5...6,9, для овса со = 3,6...4,9, для
соли со = 5,5...7,3; д - КПД передаточного
механизма; ц = 0,85...0,95.
Время, необходимое для одного цикла
перемещения продукта по смесителю, с,
_ИО
/ц “ о Рср >
где Ко - объем рабочей камеры бункера, м3;
Qn - производительность смесителя за цикл,
кг/с; рср - средняя плотность смешиваемых
продуктов, кг/м3.
За время смешения бункер должен один
раз наполниться, один раз разгрузиться и тп
раз продукт должен переместиться, таким об-
разом, продолжительность всего процесса
смешения, с,
Иорсп (тп +2)
-°-РсрА-П- (6.167)
Уп
Производительность горизонтального
шнека, кг/с,
С?шн -0,013ПваишрсрМ/3,
где DB - диаметр винта шнека, м; \|/3 - коэф-
фициент заполнения желоба; V|/3 = 0,35... 0,4.
Производительность смесителя либо од-
ного из шнеков, либо ковшового элеватора,
кг/с,
п — ^шн
Vn ~ ~ •
/ип+2
Производительность ковшового элевато-
ра, кг/с,
бэл ~ PcpWM^3 ’
где i - объем ковша, м3; аК - шаг ковшей, м;
и - скорость движения ковша, м/с.
Потребная мощность привода смесителя,
кВт,
W = /V] +/V2+/V3,
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ПРОДУКТОВ
439
где 7V| и N2 - мощности привода шнеков;
W3 - мощность привода ковшового элеватора.
Мощность привода одного из шнековых
конвейеров, кВт,
^12= —Ди®,
1,2 102п ш
где £ш - длина шнекового конвейера, м; о -
коэффициент сопротивления перемещению
продукта; для муки, зерна о = 1,2...1.5; для
мела, соды о = 1,4... 1,6; для соли поваренной,
сахарного песка о = 2,0...2,5; для цемента со =
= 4,0.
Мощность привода ковшового элеватора,
кВт,
где И/окр - окружная сила на приводном бара-
бане, Н.
Мощность привода горизонтального
шнека, кВт,
У
шн.г
бщн
1000
Необходимая мощность привода верти-
кального шнека, кВт,
дг _ бшн Ш &
шнв 1000
Мощность привода ковшового элеватора,
кВт,
367
2
А + В—и + С— , (6.108)
Сэл 4 I
где Н - высота подъема продукта, м; -
масса 1 м ленты элеватора с ковшами, кг; Л, В,
С - коэффициенты, зависящие от типа ковшо-
вого элеватора [46] (табл. 6.22).
Величина /Q3n , входящая в формулу
(6.108), выбирается в зависимости от типа эле-
ватора: для ленточного m$/Q3i}=Q,6, для
одноцепного =1,1, для двухцепного
/ Оэл = L 2 .
Адаптивный смеситель показан на рис.
6.127. Внутри корпуса находится траверса 7,
жестко соединенная с валом. На концах тра-
версы шарнирно закреплены водила 3, имею-
щие возможность свободного вращения. Ме-
шалки 7, представляющие собой шнековую
6.22. Значения коэффициентов в формуле
(6.108)
Тип ковшового элеватора А В С
Ленточный с разгрузкой: центробежной 1,14 1,60 0,25
гравитационной 1J4 1,30 0,70
Цепной с разгрузкой: центробежной 1,12 1,10 0,25
гравитационной 1,13 0,80 0,70
спираль, могут быть закреплены на водиле
жестко, либо посредством шарниров.
Вращение от двигателя передается через
вал на траверсу 7. Водила 3, в зависимости от
сопротивления массы сыпучих компонентов,
вращаются совместно с траверсой, либо при-
обретают дополнительную угловую скорость
относительно траверсы за счет возникновения
разности сил сопротивления движению меша-
лок. В случае конструктивного исполнения
смесителя по варианту рис. 6.127, б мешалки
могут вращаться также вокруг своей оси.
Производительность адаптивного смеси-
теля, кг/ч,
60(2оРср
iZn — •
G + ZCM + /В
Мощность, необходимая для вращения
приводного вала с закрепленной на нем тра-
версой, кВт,
9550
где ГКр - вращающий момент на валу, Н м.
Рис. 6.127. Схема адаптивного смесителя:
а - жесткое крепление мешалок; б - подвижное
крепление мешалок; 7 - привод; 2 - крышка;
3 - водило; 4 - мешалки; 5 - разгрузочное
устройство; 6 - загрузочные патрубки; 7- траверса
440
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
б)
Рис. 6.128. Спирально-ленточный рабочий орган
Рабочие органы спирально-ленточных
смесителей с внутренней и наружной спиралью
применяются в смесителях периодического
действия, отличающихся высокой интенсивно-
стью перемещения сыпучих материалов как в
радиальном, так и в осевом направлениях. В
осевом направлении внутренняя спираль пере-
мещает продукт в одном, а наружная в обрат-
ном направлении, как правило, к месту выгруз-
ки. За один цикл продукт перемещается по
замкнутому контуру внутри корпуса 10-12 раз.
Рабочий орган двухспирального двухза-
ходного типа (рис. 6.128. а) характерен значи-
тельным соотношением рабочей ширины спи-
ралей внутренних и наружных. Рабочий орган
спирально-ленточного типа в сочетании с ра-
диальными лопастями, резиновые кромки ко-
торых прижаты к внутренней поверхности
корпуса смесителя, обеспечивает интенсивное
смешение и полную разгрузку смесителя.
Рабочий орган двухзаходного двухспи-
рального типа в сочетании со шнековой спира-
лью (рис. 6.128, б) повышает транспортную
возможность в осевом направлении.
Смеситель большого объема горизон-
тального исполнения А9-БСГ-3 (рис. 6.129)
предназначен для смешения потоков муки при
формировании требуемого сорта. На валу 6
укреплены внутренняя двухзаходная спираль 8
и концентрично ей наружные спиральные ло-
пасти 10. Направление винтовых линий двух
пар спиралей противоположное.
Рис. 6.129. Смеситель А9-БСГ-3:
/ - корпус; 2, 5 - загрузочные пагрубки; 3 - люк; 4 - крышка; 6 - вал; 7 - стойки; 8 - двухзаходный шнек;
9- патрубок; 10- спиральные лопасти; 11 - заслонка; 12- пневмоцилиндр; 13 - плита; 14 - подшипник;
15 - цепная передача; 16 - мотор-редуктор
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ПРОДУКТОВ
441
Герметизация корпуса обеспечивается
полыми резиновыми уплотнителями, установ-
ленными между заслонками 11 и кромками
разгрузочных отверстий. В полость резиновых
уплотнителей подается сжатый воздух. При
разгрузке полости уплотнителей сообщаются с
атмосферой. Пневмоцилиндры 12 через систе-
му рычагов открывают заслонки для разгрузки.
Спирально-ленточный смеситель фирмы
Прокоп объемом 500 и 1000 л предназначен
для смешения сортов муки. Особенность сме-
сителя в возможности аэрирования продукта
посредством воздуха, подаваемого под порис-
тую перегородку 2 пневмоканала 1 (рис. 6.130),
составляющего часть днища корпуса смесите-
ля. Насыщение продукта воздухом снижает
коэффициент внутреннего трения продукта и
потребную мощность.
Спирально-ленточный горизонтальный
смеситель типа СЛН-10 (рис. 6.131) характерен
конструктивным исполнением, позволяющим
выдвигать корпус вместе с одной из торцовых
стенок, освобождая спираль для осмотра и
ремонта.
Производительность смесителя со спи-
рально-ленточным рабочим органом, кг/мин,
_ 60 та
*/см ’
*3 + *см + *в
где тп - масса продукта в смесителе, кг.
Сила сопротивления продукта при пере-
мещении, Н:
радиальном
Np =Рср g^P/?tg2^45+^(cosa+/ip sina)^3;
(6.109)
осевом
NO =Рср g^p^tg2 (45+0sina-/Tp sin a)v3,
(6.110)
где /?ср - средний радиус вращения геометри-
ческого центра рабочего органа, м; F - пло-
щадь рабочего органа, м2; у - коэффициент
внутреннего трения продукта, °; a - угол на-
клона рабочего органа (спирали) к оси вала, °;
/Тр - коэффициент трения продукта о мате-
риал рабочего органа; ф3 - коэффициент за-
полнения смесителя.
Мощность для привода смесителя, кВт,
Рис. 6.130. Пневмоканал аэрационного
смесителя фирмы Прокоп
Рис. 6.131. Ленточный смеситель горизонтальный
типа СЛН-10:
/ - корпус; 2 - ленточная мешалка; 3 - опорные
подшипники; 4 - привод смесителя; 5 - опорные
лапы; 6 - люк для осмотра; 7 - штуцер для
вентиляции; 8, 9 - штуцера для загрузки материала;
10 - штуцер для выгрузки материала
X'Vp"p+ХЛ'о"о .
-------------— |6",)
где Wp,n0 - средние скорости перемещения
продукта соответственно в радиальном и осе-
вом направлениях, при воздействии на него
одной спиралью, м/с;
71/7 _
wp =^Q^CP ’ (6.112)
и0 ~пр cosasina . (6.113)
Пример. Определить мощность Аб привода,
необходимую для преодоления силы сопротивления
продукта от воздействия большой спирали (рис. 6.128).
Дано: плотность продукта р = 600 кг/м\ сред-
ний радиус большой спирали Rc = 0,45 м; рабочая
площадь спирали F = 0,3 м2; угол наклона проекции
спирали на ось вращения a = 70 °; коэффициент
внутреннего трения продую а у = 30 °; коэффициент
трения продукта о материал рабочего opi ана/Тр = 0,9;
коэффициент заполнения смесителя = 0,67; часто-
та вращения рабочего органа п = 30 мин-1.
442
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Нагрузка на большую спираль по формулам
(6.109), (6.110)
Np =600-9,81 -0,45• 0,3tg2 60х
x(cos70° + O,9sina)o,67 = 1897 Н;
No = 600-9,81-0,45-0,3tg2 60° х
x(sin70°-0,9cos70° )о,67 = 1009 H.
Скорость перемещения продукта рабочими ор-
ганами определяется по формулам (6.112), (6.113)
3,14-30
wn =----------------0,45 = 1,413 м/с;
р 30
и0 = l,413sin70° cos70° =0,454 м/с.
Потребная мощность для большой спирали по
(6.П1),
1897-1,413 + 1009 0,454
=-----------------------= 3,14 кВт.
1000
Таким же образом рассчитывается по-
требная мощность для всех остальных спира-
лей и суммируется.
Смесители непрерывного действия. Ра-
бочие органы смесителей непрерывного дейст-
вия должны обеспечивать продольное и ради-
Обеспечение процесса продольного сме-
шения достигается путем использования рабо-
чих органов, создающих встречное движение
потоков материала. Это достигается в двух-
вальных смесителях вращением валов с раз-
личной частотой, а в одновальных - установ-
кой одного-двух витков с обратным направле-
нием навивки.
Лопастные радиальные рабочие органы
смесителей непрерывного действия представ-
лены на рис. 6.132. Угол а (рис. 6.132, а-в)
может меняться, вследствие чего изменяются
объем и направление перемещения продукта в
смесителе. Уголковая лопасть (рис. 6.132, г)
позволяет перемещать продукт одновременно в
противоположные направления.
Лопастной двухвалковый смеситель
2СМ-1 (рис. 6.133) предназначен для смешения
сыпучих компонентов комбикормов. Радиаль-
ные лопасти 3 смонтированы таким образом,
что две лопасти, находящиеся под углом
a = 50 °, перемещающие продукт в сторону
разгрузки, чередуются с одной лопастью, уста-
новленной под углом a = 20 °, перемещающей
продукт в противоположном направлении.
Время смешения, обеспечивающее тре-
буемый коэффициент неоднородности, с,
альное перемещение находящихся в смесителе
Рис. 6.132. Радиальные лопасти смесителей непрерывного действия
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ПРОДУКТОВ
443
Рис. 6.133. Лопастной смеситель 2СМ-1:
/ - корпус; 2 - приемный патрубок; 3 - радиальные лопасти; 4 - выпускной патрубок;
5 - зубчатая передача; 6 - шкив; 7 - подшипник
Лопастные горизонтальные рабочие ор-
ганы смесителей непрерывного действия пред-
ставлены на рис. 6.134; горизонтальные лопа-
сти (рис. 6.134, а) параллельны валу, горизон-
тальные лопасти, установленные под некото-
рым углом а по отношению к валу (рис. 6.134,
б), горизонтальные гребенчатые лопасти, вы-
ступающие кромки которых изменяют свою
конфигурацию (рис. 6.134, в).
В смесителе УЗ-ДСНД-10 (рис. 6.135) ра-
диальные лопасти установлены по винтовой
линии с различными углами наклона относи-
тельно оси вала, образуя разные зоны смеше-
ния: предварительную, интенсивную и разгру-
зочную. Зона предварительного смешения за-
дает нарастающую скорость перемещения про-
дукта в интенсивной зоне. В зоне разгрузки
продукт изменяет направление своего движе-
ния. Принцип работы основан на вихревом, с
многократным изменением направлений взаи-
мопересекающихся перемещений методе сме-
шения.
Производительность смесителя с ради-
альными лопастями, т/ч,
Q„ = 0,148D3^^pcp ц/,,
ал sina к
где £>в - диаметр вала с лопастями, м; Ьл -
ширина лопасти, м; ал - шаг лопастей, м.
Рис. 6.134. Горизонтальные лопасти смесителей
непрерывного действия
Потребная мощность , кВт, для приво-
да лопастного смесителя обусловлена трением
груза о кожух желоба /V] и трением груза о
лопатки /V2 :
У = A/f + n2 ;
^=2н(1,1Арср/тр)10-3;
дг2 =2i2i£/)3p |/2n^tg2f45+^]/rp,
«л I 2>
где /рр - коэффициент трения груза о кожух
желоба: коэффициент 1,1 учитывает трения
груза о боковые стенки желоба.
Центробежный смеситель непрерывного
действия «Интолетер» (рис. 6.136) предназна-
чен для совмещения процессов смешения и
дробления. В верхней части корпуса находится
ротор, состоящий, из нижнего 2 и верхнего 3
444
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Рис. 6.135. Смеситель УЗ-ДСНД-10:
1,3- соответственно приемный и выпускной патрубки; 2 - откидная крышка; 4 - лопасть; 5 - вал;
6 - корпус; 7 - рама; 8 - электродвигатель; 9 - ременная передача
Рис. 6.136. Схема центробежного смесителя
типа «Интолетер»:
/ - корпус; 2, 3 - соответственно нижний и верхний
диски; 4 - пальцы; 5 - электродвигатель;
6 - ступица; 7 - загрузочный патрубок
дисков, соединенных пальцами 4. Подаваемые
компоненты попадают на конусную часть сту-
пицы 6 ротора. Смешение частиц происходит
при воздействии пальцев, при соударении,
сопровождающемся измельчением частиц, а
также при совмещении перемещения продукта
в вертикальном и горизонтальном направлени-
ях при выгрузке из конической части корпуса.
Рис. 6.137. Схема центробежного смесителя
непрерывного действия
Центробежный смеситель непрерывного
действия состоит из цилиндрического корпуса
1, составленного из нескольких секций (рис.
6.137). На валу 2 закреплены конусы 3 и ло-
пасть 4. Внутри корпуса установлены пере-
сыпные лотки 5. Через патрубки 6 компоненты
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ПРОДУКТОВ
445
попадают на вращающийся конус, откуда под
действием центробежных сил смесь сбрасыва-
ется через край на неподвижный пересыпной
лоток, ссыпаясь с которого попадает в очеред-
ной конус, где процесс повторяется. Смешение
сыпучих компонентов происходит на вращаю-
щихся конусах, при сбрасывании с вращающе-
гося конуса и при сползании по лоткам. Удале-
ние смеси происходит через патрубок 7 при
помощи лопасти 4.
Оптимальной частотой вращения конусов
является та, при которой центробежное уско-
рение, испытываемое продуктом,
со2R = 300 м/с2,
где R - радиус конуса, м.
Производительность (пропускная спо-
собность) центробежного смесителя зависит от
размеров конуса, кольцевого сечения, образо-
ванного внутренней стенкой корпуса и кром-
кой конуса, а также от физико-механических
свойств смеси. Для порошкообразных сыпучих
материалов пропускная способность при
со2 R >300 м/с2 составляет около 100 м3/ч, на
1 м2 площади кольцевого сечения, при не-
больших затратах энергии, менее 0,5 (кВт ч)/т
продукта.
Количество секций п зависит от требуе-
мого коэффициента неоднородности, %,
Kv=^f+\,6.
гг
Гравитационные смесители и смесите-
ли с псевдоожижением сыпучего материала.
Изменение структурно-механических свойств
сыпучего продукта, переводящего его в псев-
доожиженное состояние достигается механи-
ческим либо пневматическим воздействием. В
зависимости от конструкции рабочего органа
механические смесители можно разделить на
лопастные, дисковые, с вращающимся кону-
сом.
Принцип смешения в псевдоожиженном
состоянии, механическим способом, заложен в
конструкции смесителя УЗ-ДСП-1,5 (рис. 6.138).
Внутри корпуса установлены два вала с лопа-
стями прямоугольной формы со скругленной
верхней кромкой. На каждом валу (вращаются
в противоположные стороны с большой часто-
той) закреплены четыре ряда лопастей, распо-
ложенных по винтовой линии. Угол наклона
торцовых лопастей относительно оси вала 15°,
центральных 45°, что обеспечивает многократ-
ное перемещение частиц в центре смесителя,
обеспечивающее быстрое (за 1,5...2 мин) сме-
шение компонентов. Предусмотрена также
возможность подачи в камеру жидких компо-
нентов.
Принципиальная схема дискового смеси-
теля показана на рис. 6.139.
При загруженной сыпучим продуктом
камере смешения включается электродвигатель
на минимальной частоте вращения верхнего 2
и нижнего 3 дисков, закрепленных на валу 4.
При этом сыпучий продукт разрыхляется. По
окончании пускового периода включается вы-
Рис. 6.138. Смеситель УЗ-ДСП-1,5:
I - коллектор подачи жидкости; 2 - разрыхлитель; 3 - откидная крышка; 4 - привод; 5 - корпус;
6 - крышка; 7 - загрузочный патрубок; 8 - аспирационный патрубок; 9 - вал задвижки;
10 - задвижка; 11 - лопастной вал; 12 - лопасть
446
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
сокая частота вращения, при которой материал,
насыщаясь воздухом, переходит в псевдоожи-
женное состояние. Верхний диск имеет проре-
зи, через которые продукт поступает на ниж-
ний диск, имеющий форму днища корпуса 1.
В зависимости от технологической необходи-
мости корпус может быть с рубашкой либо для
подогрева, либо для охлаждения смешиваемого
продукта.
Центробежный волчковый смеситель пе-
риодического действия (рис. 6.140) через пат-
рубок 7 загружается продуктом, который попа-
дает во вращающийся полый конус 1. Под дей-
ствием центробежной силы инерции и силы
трения продукт движется по внутренней по-
верхности конуса вверх, и сбрасывается в
кольцевое пространство между конусом и кор-
Рис. 6.139. Схема дискового смесителя
Рис. 6.140. Схема центробежного волчкового
смесителя:
/ - полый конус; 2 - корпус; 3 - вал; 4 - крышка;
5 - лопастная мешалка; 6 - окно; 7 - загрузочный
патрубок; 8 - клапанная коробка; 9 - клапан;
10 - подставка; / / - электродвигатель;
12 - клиноременная передача;
13 - ленточный тормоз;
14- свободно вращающаяся рама
пусом 2. Опускаясь, продукт попадает под дей-
ствия лопастной мешалки 5, переводящей про-
дукт в псевдоожиженное состояние, способст-
вующее продвижению продукта через окно 6
внутрь конуса для повторения цикла смеше-
ния.
Для смешения трудносыпучих материа-
лов в корпусе устанавливают свободно вра-
щающуюся раму 14 с лопастями и скребком,
который входит внутрь конуса. Рама под влия-
нием сил, действующих со стороны продукта,
вовлекается во вращение. Вращение рамы при-
тормаживается ленточным тормозом 13, созда-
вая завихрение продукта, благоприятствующее
более быстрому смешению.
Установлено [50], что оптимальный угол
конуса 60°, коэффициент заполнения для труд-
носыпучих 0,5...0,6, легких 0,7...0,8, угол на-
клона радиальной лопасти к горизонту 45°.
Циркуляция сыпучего материала начина-
ется при значениях со2/? «200 м/с2. С увели-
2
чением со R циркуляция, показанная на рис.
6.140 стрелками, возрастает. Число перемеще-
ний или кратность циркуляции при коэффици-
2
енте заполнения 0,6, w = 0,12co /?, кг/(кг мин):
под кратностью подразумевается отношение
массы материала, прошедшего через конус за
1 мин, к массе материала в смесителе.
Пневматические смесители сыпучих ма-
териалов характерны коротким циклом смеше-
ния, отсутствием, как правило, движущихся
частей, сравнительно низкими эксплуатацион-
ными затратами.
Пневматические смесители используются
для смешения различных по физико-
механическим свойствам сыпучих компонен-
тов, включая зерно злаковых культур, муку,
антибиотики, гранулы полимеров, зерно абра-
зивов и многих других продуктов. Пневмати-
ческий смеситель (усреднитель), предназначен
для смешения различных партий порошкооб-
разного полипропилена (рис. 6.141).
Смеситель состоит из цилиндрического
корпуса 7, керамической воздухораспредели-
тельной решетки 2, двух концентрических кол-
лекторов 4, в которые через штуцера 3 подает-
ся псевдоожижающий газ (технический азот).
Во внутренний коллектор газа подается больше
для создания циркуляции продуктов, обеспе-
чивающей смешение. При выгрузке подача
газа не прекращается с целью исключения за-
легания продукта на воздухораспределитель-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ПРОДУКТОВ
447
10
Рис. 6.141. Схема пневматического усреднителя:
7 - корпус; 2 - воздухораспределительная решетка;
3 - штуцеры; 4 - концентрические коллекторы;
5 - выпускной патрубок; 6 - камера смешения;
7 - патрубок загрузочный; 8 - крышка; 9 - рукавный
фильтр; 10- штуцер; II - шлюзовый затвор;
12 - система пневмотранспорта
ной решетке. Объем загружаемого продукта
60 м3, расход газа при смешении 16 м3/мин,
при разгрузке 5 м3/мин, давление в коллекторе
0,9 МПа, сопротивление воздухораспредели-
тельной решетки до 0,2 МПа.
К непрерывно действующим смесителям
сыпучих материалов в псевдоожиженном со-
стоянии [45] относится аэрогравитационный
смеситель (рис. 6.142), представляющий собой
аэрогравитационный конвейер (аэрожелоб).
Сыпучий материал через патрубок 4 попадает в
камеру смешения I на воздухораспределитель-
ную решетку 5. Воздух, подаваемый от венти-
лятора в камеру 2, просачиваясь через поры
решетки, попадает в слой продукта, насыщает
его воздухом, переводя в состояние псевдо-
ожижения, при котором продукт, перемещаясь
вдоль смесителя, имеющего наклон к горизон-
ту 3...5°, удаляется из смесителя через патру-
бок 3. Отработанный воздух, проходя через
фильтровальную ткань, удаляется из смесителя.
Воздухораспределительная решетка со-
ставлена из различных по воздухопроницаемо-
сти, т.е. с различными коэффициентами гид-
равлического сопротивления т материалов,
которые могут быть ткаными, керамическими
плитами, пористыми пластмассами. Способы
стыковки пористых материалов могут быть
различными (рис. 6.143, а-в).
Продукт, попадая в зону пористых мате-
риалов, где <Ш2 , под действием восходя-
щих потоков воздуха со скоростями фильтра-
ции щ>и2 переходит в псевдоожиженное
состояние с различной пористостью. Высота
псевдоожиженного слоя над пористой перего-
родкой с /щ будет несколько больше, что при-
ведет к циркуляции материала по винтовой
траектории с изменением направления враще-
ния в зоне очередной пары пористых решеток
(рис. 6.143, г) при движении вдоль смесителя,
что определяет смешение сыпучих компонен-
тов.
Условный коэффициент гидравлического
сопротивления комбинированной пористой
перегородки, (Па с)/м,
т_ 2wlw2
7И| +/П2
Рис. 6.142. Принципиальная схема аэрогравитационного смесителя:
1 - камера; 2 - воздухораспределительная камера; 3 - патрубок разгрузки; 4 - патрубок загрузки;
5 - воздухораспределительная решетка
448
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Рис. 6.143. Способы стыковки пористых
материалов аэрогравитационного смесителя
Отношение т\ к выбирается экспе-
риментально в пределах т\ I = 0,3 -0,5.
Расчет производительности смесителя и
мощности для привода вентилятора проводит-
ся по известным методикам для аэрогравита-
ционного конвейера [50].
Действие сил тяжести используется в
гравитационных смесителях: лотковом, бун-
керном, ударно-распылительном, виброграви-
тационном.
В гравитационном ударно-распылитель-
ном смесителе (рис. 6.144) сыпучие компонен-
ты через штуцера 1 в крышке корпуса 3 попа-
дают на наклонные лотки 2. Наслаивающиеся
один на другой слои компонентов исключают
средоточение одного из них в объединенном
движущемся слое. В конусообразной емкости 4
частицы продуктов испытывают взаимное вер-
тикальное и горизонтальное перемещение.
Вытекая из отверстия емкости, струя, встреча-
ясь с наконечником 6, распыляется. Получаю-
щийся факел из твердых частиц приобретает
форму полого параболоида вращения, способ-
ствующего интенсивному перераспределению
частиц в струе. Шибером 5 регулируется высо-
та слоя в конусе, обеспечивающая устойчи-
вость вытекающей струи.
Удельная пропускная способность лотков
с учетом диаметра частиц d, плотности час-
тиц р, высоты падения частиц до лотка h и
скорости движения частиц ич , кг/(м2 с),
11,-“"'’"'
л 18 А
Гравитационный смеситель (усреднитель)
У21-ДСП (рис. 6.145) обеспечивает предвари-
тельное равномерное распределение сыпучих
компонентов (в частности комбикормов) с по-
следующим окончательным смешением груп-
пой параллельно установленных смесителей
непрерывного действия. В верхней секции
корпуса 1 последовательно установлены рас-
пределяющая пирамида 2, верхняя решетка 3 и
нижняя 4. В нижней секции установлена на-
правляющая пирамида 5. На выпускном флан-
це закреплено днище с двумя выпускными
отверстиями.
Рассматривая процесс смешения сыпучих
материалов с позиции возможной его интенси-
фикации, следует иметь в виду технологиче-
ские аспекты производства:
гравитационного
ударно-распылительного
смесителя
Рис. 6.145. Гравитацион-
ный смеситель
У21-ДСП
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ПРОДУКТОВ
449
точность дозирования компонентов, со-
ставляющих смесь;
стабильность физико-механических
свойств компонентов;
зависимость размера частиц компонента
от его процентного содержания в смеси; чем
меньше содержание, тем меньше его размеры;
принципы построения машинно-аппара-
турных схем подготовки компонентов и произ-
водства смесей; расходящиеся с небольшой
производительностью; сходящиеся на заклю-
чительной стадии производства.
6.4.5. ОБОРУДОВАНИЕ
ДЛЯ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ВЯЗКОПЛАСТИЧНЫХ
МАТЕРИАЛОВ НА ПРЕДПРИЯТИЯХ
МАССОВОГО ПИТАНИЯ
На предприятиях массового питание в за-
висимости от технологических требований при
перемешивании может быть получена простая
однородная масса (например, котлетная), тес-
тообразная, когда перемешивание сопровожда-
ется биохимическими и коллоидными процес-
сами, либо взбитая, увеличенная в объеме
вследствие перемешивания продукта с возду-
хом (взбитые сливки, яичные белки, кремы и
др-)-
Перечисленные технологические опера-
ции выполняются машинами и механизмами
различной конструкции, которые можно под-
разделить на следующие три группы [8, 11]:
машины и механизмы для перемешива-
ния (предназначены для равномерного распре-
деления всех компонентов в общем объеме без
нарушения физических свойств исходных про-
дуктов);
тестомесильные машины (предназначены
для образования тестообразной массы из ряда
компонентов и придания ей определенных
механических свойств);
взбивальные машины и механизмы
(предназначены для перемешивания и взбива-
ния жидких смесей).
Перемешивающие машины. В настоя-
щее время в производстве находится достаточ-
но большое количество моделей перемеши-
вающего оборудования [6], которые не имеют
принципиально значимых различий и отлича-
ются между собой производительностью и
отдельными конструктивными элементами. В
табл. 6.23 дана техническая характеристика
месильно-перемешивающего оборудования.
6.23. Техническая характеристика месильно-перемешивающего
оборудования кулинарного производства
Оборудование Производи- тельность, кг/ч Объем, дм7 Число удовлетворяемых потребностей Удельная зани- маемая площадь, 103м3/дм3 Удельная масса, кг/дм3 Удельная мощность, Вт/дм3
1 2 3 4 5 6 7
Тестомесильное
Л4-ХТИ * 20 5 14,4 4,35 37,5
МТМ-15 25 15 1 17,6 6,00 73,3
МТИ-15 * 15 5 12,5 5,33 73,3
МТК-25-1 ** 25 5 18,5 3,40 30,0
МТМ-20-П * 20 1 13,6 5,00 55,0
МТ-35-01 ** 35 5 13,0 1,71 31,4
МТ-40 * 40 5 14,8 4,45 55,0
МТМ-60 * 240 60 5 8,3 3,67 18,3
МТМ-60М * 60 5 6,8 2,67 18,3
ТММ-60М 60 6 6,8 2,33 18,3
МТ-60-01 ** 60 5 9,2 1,33 33,3
МТ-260 * 260 60 5 6,3 4,00 18,3
МТМ-65 * 60 5 4,6 2,33 18,3
Ш2-ХТТ * 70 5 10,2 3,57 55,0
15 — 8434
450
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Продолжение табл. 6.23
1 2 3 4 5 6 7
МТИ-100' 100 1 5,7 8,50 30,0
МТИ-1002 500 100 5 8,9 5,56 27,5
МТ-100-01 * 300 100 3 -б^ 15.0
2,3 0,28 5,0
МТ-100М * 100 5 6,3 2,90 30,0
ОН-199* 60 1 8,8 4,25 66,7
МБТМ-140 140 5 6,7 2,50 15,7
ТММ-1М * 140 5 7,8 2,50 15,7
А2-ХТМ * 140 5 7,4 2,41 10,4
Л4-ХТВ * 140 5 7,6 2,86 13,4
«Тасема» 330 1 5,7 2,24 16,7
Т1-ХТ-2А 330 1 7,2 2,42 9,1
Взбивальное
МВ-6 16 6 1 22,5 5,83 41,7
МВ-6М * 6 1 22,5 4,00 25,0
МВ-10* 10 1 14,1 3,00 18,0
МВ-35-УМ-05* 35 2 14,8 6,86 24,3
МВ-35М * 90 35 2 11,4 5,00 21,4
ВМ-35 * 30 35 2 11,4 5,43 24,3
МВ-60 *3 150 60 2 12,0 6,67 36,7
МВ-60 *4 60 1 7,4 2,83 25,0
МВУ-60 * 145 60 2 11,3 5,25 37,0
МТВ-60 * 60 4 8,0 4,50 36,7
МВ-80 * 80 1 9,4 4,13 27,5
МВ-100* 100 1 7,5 3,50 22,0
Перемешивающее
К6-ФММ-150 2500 150 1 6,1 3,27 20,0
0,364 0,196 1,20
Я2-ФЮ5 * 150 1 6,9 2,17 14,7
Л5-ФМ2-У-150 * 1100 150 2 18,9 5,73 30,0
Протирочное
МП-800 800 6 0,394 0,106 1,38
МП-800 800 6 0,313 0,094 1,38
МП-1000* 1000 6 0,200 0,050 0,75
МКП-60 50 2 12,8 4,16 22,0
МПП-250 800 2 1,718 0,331 3,25
УЭМ-1000 ** 1000 1 0,200 0,050 0,25
А9-КИП 5000 1 0,215 0,070 0,44
* Находится в серийном производстве по состоянию на 1995 г.;
** Подготовлен к серийному производству.
1 Для крутого теста.
2 Для пяти видов теста.
3 Производство в г. Ашхабаде.
4 Производство в г. Твери.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ПРОДУКТОВ
451
Выбор способов перемешивания зависит
от вида и состояния перемешиваемой массы,
объема рабочей камеры, производительности
машин, соотношения дозируемых веществ,
допустимой степени однородности и других
факторов.
Степень однородности получаемой массы
характеризует эффективность процесса пере-
мешивания.
Степень однородности массы
С = (а-Ь)/а,
где а - средняя концентрация вещества, задан-
ная условиями смешивания; b - среднее ариф-
метическое отклонение от заданной концен-
трации.
Для идеальных условий С = 1, практиче-
ски С = 0,8...0,9. На предприятиях массового
питания для перемешивания продуктов приме-
няются сменные механизмы МС25-200 для
перемешивания салатов и винегретов и фар-
шемешалки МС8-150, МВП-11-1, МС4-7-8-20.
Наибольшее распространение получили
фаршемешалки периодического действия бла-
годаря своей универсальности, а также способ-
ности обеспечивать любую производитель-
ность и любую длительность процесса обра-
ботки. В настоящее время не существует объ-
ективных показателей, свидетельствующих о
завершении процесса перемешивания, что за-
трудняет конструирование фаршемешалок
непрерывного действия.
На предприятиях массового питания
применяются лопастные фаршемешалки с косо
поставленными прямоугольными пластинами,
которые при вращении не только перемешива-
ют массу, но и сдвигают ее вдоль оси.
Фаршемешалка МС8-150 состоит из ка-
меры для обработки продукта и рабочих орга-
нов. Камера выполнена в виде неподвижного
пустотелого горизонтально расположенного
цилиндра, в верхней части которого имеются
отверстие для ввода подлежащего обработке
продукта и загрузочная воронка. Изнутри к
стенкам загрузочной воронки прикреплена
предохранительная крестовина, предотвра-
щающая травмирование рук обслуживающего
персонала.
На одном торце камеры предусмотрено
разгрузочное отверстие для готового продукта,
которое во время процесса перемешивания
плотно закрыто крышкой. На другом торце
камеры прикреплен хвостовик, с помощью
которого механизм подсоединяется к универ-
сальному приводу ПМ-1,1. Внутри рабочей
камеры установлен рабочий вал с лопастями,
расположенными под углом 30° к оси враще-
ния вала. Такое расположение лопастей спо-
собствует равномерному перемешиванию и
продвижению фарша к разгрузочному отвер-
стию.
Многоцелевой механизм МС4-7-8-20 со-
стоит из редуктора (коническая и планетарная
цилиндрическая передачи) с коробкой скоро-
стей, сменных бачков и приспособлений, а
также сменных рабочих органов. Снизу к кор-
пусу редуктора прикреплен кронштейн, на
который устанавливаются сменные бачки или
обечайки для продукта. Лопасть для переме-
шивания фарша, выполненную в виде рамки,
закрепляют на рабочем валу соединительной
муфтой. Для протирания вареных овощей, мя-
са, круп, печени и других продуктов к редукто-
ру устанавливаются соответствующие проти-
рочные лопасти и щетки.
Механизм МС25-200 для перемешивания
салатов и винегретов состоит из редуктора и
бачка. В действие приводится универсальным
приводом ПХ-0,6. Внутри литого алюминиево-
го корпуса редуктора расположена чарвячная
передача. Бачок изготовлен из коррозионно-
стойкой стали и имеет внутри ребра, способст-
вующие равномерному перемешиванию про-
дукта. Механизм закреплен двумя винтами на
универсальном приводе под углом 30°. При
вращении бачка овощи равномерно перемеши:
ваются.
Время пребывания частиц в бачке опре-
деляется по следующему уравнению [6, 7],
мин,
£sin0
t =-------,
2л7?иФ
где L - длина бачка, м; 0 - угол естественно-
го откоса сыпучего продукта, °; R - радиус
бачка, м; п - частота вращения бачка, мин1;
Ф - угол наклона бачка к горизонту, рад.
Взбивалъно-перемешивающий механизм
МВП-11-1 состоит из редуктора (планетарная и
коническая передачи) с кронштейном, сменных
бачков и сменных рабочих органов. Для пре-
дотвращения от разбрызгивания на бачок уста-
навливается крышка с лотком для загрузки
продукта.
Лопасть, выполненная в виде сдвоенной
рамки, служит для перемешивания мясного и
15*
452
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
рыбного фаршей, а также салатов и винегретов.
Рабочая часть этой лопасти изготовлена из
алюминиевого сплава, в который заармирован
стальной хвостовик, которым лопасть подсое-
динена к валу-шестерне редуктора.
Обоснование конструктивных и кинема-
тических параметров фаршемешалок. Меха-
нический процесс перемешивания продуктов
является довольно энергоемким и длительным,
поэтому любые возможности рационального
сокращения удельных расходов энергии и про-
должительности процесса должны быть ис-
пользованы как в условиях эксплуатации, так и
на стадии проектирования и конструирования.
Установлена возможность интенсифика-
ции процесса механического перемешивания
путем увеличения частоты вращения рабочих
органов, изменения конфигурации лопастей,
уменьшения емкости резервуара мешалки,
введения волнорезов, отражателей и др.
Для лопастных фаршемешалок длитель-
ность перемешивания обратно пропорциональ-
на объему рабочей камеры, а качество переме-
шивания зависит от характера установки лопа-
стей на рабочем валу.
Снабдив мешалку несколькими парами
лопастей, имеющими наклон в разные сторо-
ны, можно создать перекрестные потоки и та-
ким образом осуществить интенсивное пере-
мешивание. Частоту вращения лопастей выби-
рают исходя из условия, что центробежная
сила продукта не должна превышать их веса:
2 г» 1
"К°пр g п=——
где п - частота вращения лопастей, с-1; R -
радиус вращения лопастей, м; ЛГПр - коэффи-
циент проскальзывания частиц продукта отно-
сительно лопастей; ЛГпр =0,4; 0>5 .
Производительность фаршемешалок пе-
риодического действия [8, 10]
(61|4)
/3 + /о
где V - объем рабочей камеры, м3; р- на-
сыпная масса фарша, кг/м3; ф- коэффициент
заполнения объема; /3 ,10 , - время соответ-
ственно загрузки, обработки и разгрузки, с;
время обработки порции фарша в 8... 10 кг
t0 =80... 100 с; V = л(/? + с)2 I; с - расстоя-
ние между внутренней поверхностью рабочей
камеры и лопастью; с = 2...3 мм; I - длина ра-
бочей камеры, м.
Мощность электродвигателя фаршеме-
шалки
N = P^'Kal^-
где - сила, необходимая для преодоления
сопротивления, создаваемого фаршем, Н; V -
скорость поступательного движения продукта
вдоль оси вала; Ка - коэффициент запаса
мощности; Ка =4...5; г| - КПД передаточно-
го механизма.
При перемешивании мясного фарша со
скоростью движения лопасти в пределах
0,3... 1,5 м/с сила /ф может быть определена
по формуле
Рф =пFz =(<3() + av}F z ,
где Q - сопротивление перевешиванию одной
лопасти, Па; Qq - условное начальное сопро-
тивление одной лопасти, Па; а - постоянный
параметр; а = 4800...4600 при 4...6 Па;
F - площадь лопасти, м2; z - число лопастей,
установленных в одном ряду.
Средняя скорость поступательного дви-
жения продукта вдоль оси мешалки определя-
ется по формуле
V = Vq\\JZ ,
где - скорость осевого смещения продукта
одной лопастью, м/с; ф - коэффициент, учи-
тывающий периодичность смещения продукта
вдоль оси мешалки.
Скорость осевого смещения продукта од-
ной лопастью, вращающейся с постоянной
угловой скоростью, определяется с учетом
трения продукта о рабочие органы и отсутст-
вия направляющих по формуле:
~(Огл (sina-/Tp cosa)cosa ,
где а - угол наклона лопасти к оси приводно-
го вала; гл- радиус вращения лопасти, м;
/Тр - коэффициент трения.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ПРОДУКТОВ
453
6.24. Техническая характеристика машин для перемешивания продуктов
Параметр МС8-150 МС4-7-8-20 МС25-200 МВП-П-1
Производительность при пе- ремешивании, кг/ч 150 150 200 150
Объем бачка, л 7 20 10 25
Частота вращения рабочих органов на первой скорости, мин1: 170 170 28 170
вокруг оси бачка 46 71
вокруг своей оси 182 176
Габаритные размеры, мм :
длина х ширина х высота 495x320x325 580x660x480 360x360x490 450x610x620
Масса, кг 12 22 12 16
Коэффициент определяется соотно-
шением:
6sina
Ф =,
2nR
где b - ширина лопасти.
Для фаршемешалок, у которых ширина
лопасти равна радиусу, у = const.
Техническая характеристика машин для
перемешивания приведена в табл. 6.24.
Тестомесильные машины. Машины
предназначены для образования из ряда ком-
понентов (воды, муки, дрожжей, сахара, соли и
др.) однородной массы и придания ей опреде-
ленных механических свойств. Процесс закан-
чивается тестообразован ием.
На предприятиях массового питания для
замеса теста применяют тестомесильные ма-
шины ТММ-М, МТМ-15, МТИ-100 и МКУ-40.
Машина ТММ-1 предназначена для заме-
са теста густой консистенции. Она состоит из
станины, кожуха, фундаментной плиты, элек-
тродвигателя /, передаточных механизмов,
месильного рычага 2 с лопастью 3 и дежи 4 с
передвижной тележкой (рис. 6.146). Тележка
снабжена тремя поворотными колесами.
На фундаментной плите лапами крепится
червячный редуктор 5, вал червяка которого
телескопически через шпонку соединен с ва-
лом электродвигателя. От вала червячного
колеса движение передается в двух направле-
ниях. Вращение дежи 4 от второго червячного
редуктора 6 осуществляется диском 7 с квад-
ратным отверстием в центре, в которое входит
квадратный выступ, имеющийся на цапфе де-
жи. Выступ цапфы входит в отверстие диска
под действием пружины 8. При накатывании и
откатывании дежи квадрат цапфы приподни-
мается педалью 9.
Движение месильному рычагу 2 от кри-
вошипа 10 передается через сферический са-
моустанавливающийся шариковый подшипник
11. Месильный рычаг разделен сферическим
утолщением на два плеча: короткое прямое и
длинное, изогнутое под углом 118°. Плечи
месильного рычага при движении описывают
конусы. Вершины обоих конусов находятся в
точке опоры рычага. Точкой опоры, или цен-
тром вращения, является шарнир, состоящий
Рис. 6.146. Кинематическая схема
тестомесильной машины ТММ-1 М
454
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
из вилки с цилиндрическим хвостовиком и оси.
Осевые условия, возникающие при замесе тес-
та, воспринимаются вилкой и передаются кор-
пусу через два шариковых упорных подшип-
ника. Для лучшего перемешивания теста ось
вращения лопасти смещена относительно оси
вращения дежи. Машина комплектуется тремя
сменными дежами.
Машина МТМ-15 для замеса крутого
теста предназначена для замешивания круто-
го теста, используемого для приготовления
пельменей, вареников, чебуреков и домашней
лапши.
Машина состоит из станины, резервуара,
представляющего собой полуцилиндрическую
камеру, расположенную горизонтально; двух
спиралевидных лопастей, вращение которым
передается от электродвигателя через редук-
тор. Валы лопастей продеты сквозь втулки
резервуара; шипы валов лопастей находятся в
пазах.
Тестомесильная машина интенсивного
замеса МТИ-100 предназначена для интенсив-
ного замеса дрожжевого теста и пресного теста
для слоеного полуфабриката. Она состоит из
следующих узлов: станины /, приводной го-
ловки, кронштейна, механизма подъема, бач-
ков 3, месильных органов 2, пульта управления
(рис. 6.147). Станина, закрепленная на литом
основании, имеет направляющие для переме-
щения приводной головки и кронштейна. При-
водная головка служит для передачи вращения
от электродвигателя 12 к месильному органу 2.
Вращение от вала электродвигателя 12 к
валу коробки скоростей передается поликли-
новым ремнем 13. На валу //на скользящей
Рис. 6.147. Кинематическая схема
тестомесильной машины МТИ-100
шпонке расположен блок из двух шестерен 9,
который с помощью рычага 21 может быть
введен в зацепление с одним из двух зубчатых
колес 10, установленных на выходном валу 7.
В ручке рычага 21 размещены фиксатор его
положений и микропереключатель для отклю-
чения электродвигателя 12 при переводе рыча-
га.
На корпусе приводной головки снизу не-
подвижно закреплено солнечное колесо 8, а на
валу 7 - водило 5 с сателлитом б, сидящим на
рабочем валу 4. Выступающие наружу нижние
концы валов 7 и 4 предназначены для крепле-
ния месильных лопастей 2.
Месильными органами в машине служат
лопасти - крюкообразная, четырехобразная и
шнекообразная. Крюкообразная лопасть пред-
назначена для замеса дрожжевого и пресного
теста, четырехобразная - для подготовки по-
луфабриката для песочного теста, шнекообраз-
ная - для замеса песочного теста. Крюкообраз-
ная и четырехобразная лопасти подсоединяют
к валу сателлита, шнекообразную - к привод-
ному валу 7.
Для вертикального подъема бачка имеют-
ся направляющие и плавающая гайка. Меха-
низмом подъема служит винт 15, по которому
перемещаются гайки 14 и 16 приводной голов-
ки и кронштейна для бачка. Винт связан с
электродвигателем 18 клиноременной 17 и
конической зубчатой 19 передачами. На верх-
нем участке винта нарезка правая трехзаход-
ная, на нижнем - левая однозаходная, благода-
ря чему головка и кронштейн перемещаются в
противоположных направлениях с различной
скоростью. На ведомом шкиве клиноременной
передачи установлен ленточный тормоз 20.
Тормозная лента затягивается грузом и осво-
бождается электромагнитом, который, включа-
ясь одновременно с электродвигателем, под-
нимает груз.
Машина кондитерская универсальная
МКУ-40. Машина предназначена для приго-
товления кондитерской помады, заварного
теста, сиропа "Шарлот".
Машина представляет собой металличе-
ский каркас, на котором крепятся смеситель,
котел, мешалка, бачок, электрощиток, коллек-
тор, редуктор и электродвигатель. Котел и ба-
чок соединены между собой посредством тру-
бы. В съемное дно котла вмонтированы четыре
трубчатых электронагревателя мощностью по
2,8 кВт, температурное реле ТР-200 и термо-
метр сопротивления ТСП-6097. Пространство
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ПРОДУКТОВ
455
между собственно котлом и рубашкой запол-
нено маслом (масляная рубашка), пространство
между рубашкой котла и кожухом - теплоизо-
ляцией.
Машина предназначена для перемешива-
ния смеси компонентов в варочной полости
котла. Смеситель служит для охлаждения и
взбивания смеси, приготовленной в котле. В
корпусе смесителя установлены оси. На концах
осей с одной стороны жестко закреплены зуб-
чатые колеса, а с другой - зетообразные рыча-
ги. На торцовой стенке корпуса смесителя име-
ется окно для выгрузки готового продукта,
закрываемое крышкой.
Производительность тестомесильной
машины ТММ-1 И определяется по формуле
(6.114), где V - объем дежи, м3; р - плот-
ность продуктов, кг/м3; ф - коэффициент,
учитывающий заполнение объема дежи про-
дуктом; ф = 0,5...0,8.
Мощность электродвигателя тестоме-
сильной машины ТММ-1 М определяется по
формуле (6.21) , где - мощность, необхо-
димая для замеса теста, Вт; А^2 “ мощность,
необходимая для вращения дежи, Вт.
Мощность для замеса теста может быть
рассчитана по формуле
Л^1 — о)|Гтах (0,47GT + FcCq ),
где гтах “ максимальный радиус вращения
месильной лопасти, м; (Oj - угловая скорость
месильной лопасти, рад/с; GT - вес теста в
месильной деже, Н; От=Ирф^; Fc - пло-
щадь стенки дежи, на которой лопасть преодо-
левает сопротивление прилипанию, м2; с$ -
удельное сопротивление прилипанию, Па.
Мощность, необходимая для вращения
дежи,
^2 =(Сд+(j\)/lrn®2’
где С7Д - вес дежи, Н; /j - коэффициент тре-
ния вала дежи в опорах; гц - радиус цапфы, м;
0) 2 - угловая скорость вала дежи, рад/с.
Взбивальные машины. Взбивание сли-
вок, яиц, кремов и других продуктов осущест-
вляется энергичным и довольно длительным
воздействием рабочих органов на продукты. В
результате происходит перемешивание части-
чек продуктов с воздухом, который равномер-
но распределяется по всей смеси в виде от-
дельных мелких пузырьков, придавая ей пыш-
ность. Насыщение жидкой смеси воздухом
осуществляется главным образом за счет
сложного движения месильных лопастей,
имеющих сильно развитую поверхность и об-
текаемую форму.
Для взбивания продуктов применяются
различные типы взбивальных машин, которые
по своему устройству можно классифициро-
вать следующим образом: с горизонтальным
расположением рабочего вала (со съемным и
несъемным взбивателем); с вертикальным рас-
положением рабочего вала и съемным взбива-
телем (с движением взбивателя вокруг оси и с
планетарным движением взбивателя эпицик-4
лической и гипоциклической траекторией
взбивателя).
Машины с горизонтально расположен-
ным рабочим валом и несъемными взбивате-
лями предназначены для замеса высоковязких
смесей. К достоинствам этих машин относятся:
жесткость и прочность рабочих органов; срав-
нительная простота конструкции и возмож-
ность применения стандартных редукторов и
передач; безопасность обслуживания. Конст-
рукция машин с горизонтальным расположе-
нием рабочего вала и съемными рабочими ор-
ганами простая и технологичная. К недостат-
кам этих машин следует отнести: малую часто-
ту вращения взбивателей; наличие одной угло-
вой скорости вращения; затрудненную сани-
тарную обработку при переходе от одного вида
полуфабриката к другому.
Машины с вертикальным расположением
рабочего вала обладают рядом преимуществ по
сравнению с рассмотренной выше. Так, упро-
щают обслуживание наличие сменных бачков
разного объема и возможность их быстрой
замены, а также возможность регулирования
скоростей и взаимозаменяемость взбивателей
различной конструкции.
Эти машины делятся на две группы: с
вращением взбивателя вокруг неподвижной
оси и с планетарным вращением взбивателя.
Машины с вращением взбивателя вокруг
неподвижной оси, имея регулировку радиуса
вращения взбивателя, позволяют взбивать сме-
си в бачках различного объема, что значитель-
но снижает потери продукта. Однако сравни-
тельно малые прочность и жесткость механиз-
ма привода взбивателя и регулировки его ра-
456
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
диуса вращения не позволяют использовать
машину для взбивания высоковязких смесей и
размешивания сливочного масла. Взбиватель,
совершающий вращение вокруг неподвижной
оси, не разминает масло, а растирает его по
стенкам бачка. Такое движение создает очень
малую разность скоростей собственной и обра-
батываемой массы. Степень воздействия взби-
вателя на продукт незначительная, так как объ-
ем тела вращения намного меньше объема
продукта в бачке. В бачке ввиду быстрого
вращения смеси образуется глубокая цен-
тральная воронка, что еще больше уменьшает
степень воздействия взбивателя на продукт.
Машины с планетарным движением
взбивателя превосходят описанные выше. Ра-
бочей емкостью у этих машин служит непод-
вижный объемный бачок, имеющий форму
вертикального цилиндра с днищем в виде ша-
рового сегмента. Такая форма днища способст-
вует усилению осевых потоков, что особенно
важно при взбивании высоковязких продуктов,
так как обеспечивает перемешивание взбивае-
мых слоев по высоте.
Рабочими органами служат легкосъемные
взбиватели. Взбиватель может иметь две и
более частоты вращения (машины с коробками
скоростей) или бесступенчатую регулировку
скорости в широком диапазоне (машины с ва-
риаторами скоростей).
Для равномерного воздействия взбивате-
ля на обрабатываемую массу передаточное
отношение между солнечным колесом и шес-
терней-сателлитом рабочего вала подбирается
в виде бесконечной дроби.
Шестерня-сателлит рабочего вала имеет с
солнечным колесом либо внутреннее, либо
внешнее зацепление. Если зацепление внеш-
нее, то точки взбивателя движутся по удлинен-
ной эпициклоиде, если внутреннее - по удли-
ненной гипоциклоиде. При движении по эпи-
циклоиде наибольшая скорость точек взбива-
теля - у стенок бачка, а при движении по гипо-
циклоиде - ближе к центру бачка. При этом
воронка не образуется и процесс протекает
быстрее.
В зависимости от числа рабочих валов
планетарные взбиватели могут быть одинар-
ными. двойными и тройными.
На предприятиях массового питания
применяются кремовзбивательные машины
МВ-6; МВ-35М; МВ-60; МВУ-100 с индивиду-
альным электродвигателем и сменные меха-
низмы МС4-7-8-20, МВП-11-1. Они имеют
аналогичное устройство и различаются лишь
габаритными размерами и передаточным меха-
низмом. Для изменения скорости движения
лопастей используется вариатор скоростей или
коробка передач.
Камерой для обработки служит цилинд-
рический месильный бачок со сферическим
днищем. Рабочими инструментами являются
взбиватели (плоскорешегчагые. венчики, крю-
кообразные) различных видов, которые кре-
пятся к рабочему валу, расположенному экс-
центрично по отношению к оси приводного
вала. На конец рабочего вала насажена шес-
терня, которая входит в зацепление с непод-
вижным «солнечным» колесом, ось которого
совпадает с осью приводного вала. Вращение
взбивателю передается от приводного вала с
помощью «водила», выполненного в виде
крышки. Планетарная передача обеспечивает
сложное движение вокруг собственной оси и
вокруг оси приводного вала.
Машина МВ-6 имеет литой корпус, вы-
полненный в виде колонны с основанием и
консолью, в котором установлены: электродви-
гатель на ползуне, клиноременный вариатор,
цилиндрический и конический редукторы и
планетарная передача. На выходном валу элек-
тродвигателя на шпонке установлен шкив,
который объединен клиновым ремнем с раз-
движным шкивом, расположенным на ведущем
валу привода взбивателя. Для изменения час-
тоты вращения взбивателя электродвигатель
перемещают с помощью рукоятки. При этом
изменяется межцентровое расстояние шкивов,
а ведомый шкив, состоящий из двух половин,
соответственно раздвигается или сближается, и
ремень замыкает другой диаметр его рабочей
поверхности.
Машина МВ-35М имеет литой алюминие-
вый корпус, который соединен болтами с ли-
тым чугунным основанием. Внутри корпуса
размещены электродвигатель, ременный ва-
риатор, зубчатая передача и планетарный ме-
ханизм.
Изменение частоты вращения вертикаль-
ного вала осуществляется путем вращения
маховика и связанного с ним ходового винта с
гайкой. Перемещение гайки через вилку и
обойму подшипника вызывает перемещение
нижнего конического диска ведомого шкива
вариатора скорости, чем и достигается измене-
ние частоты вращения взбивателя.
Сменные взбиватели крепятся на конце
вала с помощью штифта и фигурного выреза. В
комплект входят четыре взбивателя.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ПРОДУКТОВ
457
Бачок устанавливается на кронштейне,
который вращением рукоятки подъема может
перемещаться по вертикальным направляю-
щим станины с помощью винтовой передачи.
Машина МВ-60 имеет пустотелую чугун-
ную станину прямоугольного сечения, укреп-
ленную на плите. Вместе со станиной отлиты
направляющие для перемещения кронштейна,
несущего на себе бачок. В верхней части ста-
нины установлен электродвигатель, который
крепится к фланцу коробки скоростей. На вал
электродвигателя насажена шестерня, приво-
дящая во вращение сателлиты планетарной
передачи, оси которых закреплены в корпусе
водила. От вертикального вала через планетар-
ную передачу получает сложное планетарное
движение взбиватель.
Машина МВУ-100 в отличие от машины
МВ-60 имеет механизм перемещения привод-
ной головки и бачка (как у машины МТИ-100)
и приспособление для очистки верхней части
бачка от налипшего масла.
Многоцелевой механизм МС4-7-8-20
предназначен для взбивания, перемещения и
протирания продуктов. Он состоит из редукто-
ра с коробкой скоростей, сменных бачков и
приспособлений, а также сменных рабочих
органов.
Комплектуется многоцелевой механизм
взбивалкой и съемным бачком, предназначен-
ными для взбивания картофельного пюре, мус-
са, самбука, теста для блинчиков, блинов, ола-
дий. В зависимости от вида обрабатываемого
продукта в комплект механизма входят три
рабочих органа: прутковый для взбивания лег-
ко подвижных масс (белков, сливок, мусса,
самбука); решетчатый для взбивания майонеза,
крема; имеющий форму рамки с перемычкой
для взбивания жидкого теста (для блинов, ола-
дий).
Определение основных параметров
взбивальных машин. При проектировании
машин могут быть рекомендованы следующие
относительные размеры бачка и взбивателя, по
отношению к основному геометрическому
параметру - наибольшему диаметру взбивателя
d (для d = 1).
Диаметр бачка D ............................ 1,75
Высота цилиндрической части Н .. 0,88
Высота суженной части Н ................ 0,72
Диаметр днища D ....................... 0,7
Высота лопасти h ...................... 1,3
Эксцентриситет взбивателя е .. 0,34
Передаточное число колес плане-
тарной передачи i ............ 3,33...3,35
Производительность машин определяет-
ся по формуле (6.114), где V - объем бачка,
м3; р - плотности смеси продуктов, кг/м3; (р -
коэффициент заполнения бачка; ф = 0,3...0,6 в
зависимости от увеличения объема смеси при
взбивании; /3 ,/0 ,/р - соответственно время
загрузки, взбивания и разгрузки, с.
Плотность смеси продуктов
\ Ра Pb )
где та - массовая доля компонента а в смеси,
кг/кг смеси; - массовая доля компонента
b ; - \ ра и - плотность соот-
ветственно компонента ан Ь, кг/м3.
Мощность электродвигателя
N — МКр сов К. I г|,
где Л/кр - момент, необходимый для преодо-
ления лопастями сопротивления среды, Н м;
(0в - угловая скорость водила, рад/с; Г| - КПД
передаточного механизма; Ка - коэффициент
запаса мощности, учитывающий пусковой мо-
мент, Ка =1,1; Л/Кр=Рс/?в, RB - длина
водила, м; FB=(F-r); R - радиус дели-
тельной окружности солнечного колеса, м;
г - радиус делительной окружности плане-
тарной шестерни, м; Рс - сила сопротивле-
ния среды при взбивании жидких смесей;
?с = ^ср Рс £ - удельный коэффици-
ент сопротивления взбиваемой смеси; Fn -
площадь проекции движущейся лопасти на
плоскость, перпендикулярную направлению
2
максимальной скорости ее движения, м ; £Ср -
средняя скорость движения лопасти, м/с; рс -
плотность смеси продуктов.
Средняя скорость лопасти, движущейся
по удлиненной гипоциклоиде
458
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
R — г Г~э у
Vcp=——mBylr + гл +0,5ггл , (6.115)
откуда гл - максимальный радиус взбивателя
в нормальном сечении, м; (0в - угловая ско-
рость водила, рад/с.
Кроме того, сср может быть определена
из уравнения:
уСр =1,32(0в(Я-г).
Уравнение (6.115) соответствует сину-
соиде, которая получается, если обогнуть
среднюю линию гипоциклоиды.
Потребную мощность для взбивальных
машин можно определить из следующего кри-
териального уравнения:
N Мэкв
рг<У2г?3 Vdv
(6.116)
где А - мощность, кВт; рг - плотность пены
в момент готовности продукта, кг/м3; V -
средняя скорость прутков взбивателя в сечении
с диаметром d, м/с; цэкв - эквивалентная
вязкость пены в момент готовности, Пас;
Сдг - постоянная (для данного продукта).
Средняя продолжительность взбивания,
как характеристика производительности ма-
шины, определяется из критериального урав-
нения [4]
Т^Пэкв _ х-r Лэкв
pj2 Т Pdv ’
(6.117)
где Т - средняя продолжительность взбива-
ния, с; Ст - постоянная (для данного продук-
та).
Исходя из рекомендованных соотноше-
ний размеров бачка и взбивателя выведена
зависимость диаметра взбивателя от объема
бачка:
Средняя скорость взбивателя можно при-
нять по формуле
y = C£)J0’47, (6.119)
где Cv - постоянная (для данного продукта).
Для определения оптимальной частоты
вращения п может служить формула
vR
п =-----------------------,
OJOSRyp +р2 + 0,5рг
где R - радиус делительной окружности сол-
нечного колеса, м; г - радиус делительной
окружности шестерни рабочего вала (сателли-
та), м; р - максимальный радиус взбивателя в
нормальном сечении; p = d/?..
Преобразуя уравнения (6.116) и (6.118),
соответственно получим
N=CNx\3KBdv2 (6.120)
И
T = C^d/v. (6.121)
Численные значения С ,у, Ст, Cv, вхо-
дящих в уравнения (6.116) - (6.119), для неко-
торых продуктов приведены в табл. 6.25.
Оптимальные значения Г|экв и р можно
определить по рис. 6.148.
На основе изучения динамики патентова-
ния рассматриваемого оборудования, а также
разработок ведущих фирм-производителей
этого оборудования (Bonnet, Alexanderwerk,
Hobart, Dito Sama и др.) получены следующие
наиболее перспективные направления повы-
шения технического уровня и качества обору-
дования для перемешивания вязкопластичных
материалов.
Для машин тестомесильных'.
применение устройств, обеспечивающих
контроль температуры компонентов для обес-
печения качества замеса;
6.25. Численные значения Сдг, Ст , Cv ,
входящих в уравнения (6.116)-(6.121) для
некоторых продуктов
(6.118)
Продукт Сд, ст Cv
Яично-сахарный полуфабрикат 5,41 2510 3 19-103
Белково-сахарная смесь 1,36 25-10'5 19,7-103
Сливочный крем 4,8 65-10"5 8 103
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ И ФОРМОВАНИЯ
459
О 20 40 60 80 100 V-A
а) б) в)
Рис. 6.148. Зависимости плотности р и эквивалентной динамической вязкости т|жв пены
от объема И бачка:
а ~ для яично-сахарного полуфабриката; б - для белково-сахарной смеси; в - для сливочного крема
выполнение месильных органов, обеспе-
чивающих наибольший охват объема дежи для
интенсификации процесса замешивания;
использование двух скоростей и двух
таймеров для расширения технологических
возможностей машины;
использование гидравлического опроки-
дывателя дежи с целью улучшения условий
эксплуатации машины;
использование блока цикличности и бло-
ка звуковой информации с целью улучшения
условий эксплуатации машины.
Для взбивальных машин:
использование электронного блока
управления с целью улучшения условий экс-
плуатации и повышения качества взбиваемых
смесей;
подогрев дежи газовой горелкой, горячей
водой или электротенами (для соответствую-
щих технологических процессов) с целью по-
вышения качества получаемых смесей;
охлаждение взбиваемой массы путем ис-
пользования взбивателя, охлаждаемого хлада-
гентом, подаваемым во внутреннюю полость
взбивателя (для соответствующих технологи-
ческих процессов) с целью повышения качест-
ва получаемых смесей;
применение подшипников с ’’вечной”
смазкой с целью повышения надежности обо-
рудования;
насыщение взбиваемой массы воздухом,
подаваемым через специальные отверстия в
рабочем органе (взбивателе) с целью повыше-
ния качества получаемых смесей;
взбивание теста при повышенном давле-
нии с целью повышения качества получаемого
продукта.
6.5. ОБОРУДОВАНИЕ
ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ И ФОРМОВАНИЯ
6.5.1. КЛАССИФИКАЦИЯ, ОСНОВНЫЕ ТИПЫ
В пищевой промышленности большое
применение находят процессы прессования
различных материалов: сахара, концентратов,
кондитерских порошков, чая, кофе, специй,
пряностей и т.д.
Разнообразие свойств пищевых продук-
тов и предъявляемых к их внешнему виду тре-
бований обусловило многообразие способов
формообразования пищевых масс. Среди кото-
рых следующие:
общие - выпрессовывание, прокатка,
штампование, прессование в замкнутом объе-
ме, отливка, отсадка;
специальные - размазка пластов, центро-
бежное, вакуумное и бесконтактное формова-
ние, закатка, раскатка, округление, виброфор-
мование, формование резанием, в оболочке,
комбинированные.
В кондитерской промышленности наибо-
лее широкое распространение получили сле-
дующие способы формования: отливка корпу-
сов конфет в формы (жесткие, мягкие, с крах-
малом), выпрессовывание, прокатка пластов,
отсадка корпусов конфет, размазка пластов,
штампование.
460
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Отливка корпусов конфет основана на те-
кучести масс в горячем состоянии. Этим спо-
собом получают помадные, желейные, молоч-
ные, ликерные сорта конфет, мармелад, пли-
точный шоколад, шоколадные изделия с на-
чинкой.
Формование конфет выпрессовыванием
основано на непрерывном или периодическом
выдавливании профилированных изделий бес-
конечной или ограниченной длины через фор-
мующую матрицу с определенными размерами
фильер.
Прокаткой формуют конфетные массы
плотной консистенции: марципановые, гриль-
яжные, ирисные.
Способом отсадки наносят рисунки из
крема при производстве тортов, формуют де-
сертные сорта конфет, зефир.
Способ размазки пластов применяют в
производстве помадных, сбивных, ореховых и
фруктовых конфет.
Штамповкой формуют карамельные,
ирисные массы, шоколадные изделия, мучные
кондитерские изделия.
В хлебопекарной промышленности фор-
мование изделий осуществляют способами
прокатки, закатки, округления.
В макаронной промышленности наи-
большее распространение получили способы
формования выпрессовыванием и штампова-
нием. Последней операции предшествует вы-
прессовывание тестовой заготовки в виде пло-
ской ленты, из которой штампуются разнооб-
разные изделия сложной формы. При формо-
вании макаронных изделий методом выпрессо-
вывания разнообразная конфигурация издели-
ям придается за счет поперечного сечения
формующих каналов матрицы. Это позволяет
получать изделия в виде ленты и трубчатые
изделия.
Способ прессования в замкнутом объеме
(таблетирование) получил распространение
при производстве пищеконцентратов из сыпу-
чих или порошкообразных материалов (сахара-
рафинада, кондитерских порошков, раствори-
мого кофе, чая, концентратов и т.д.).
В мясной промышленности формование
колбасных изделий осуществляется способом
выпрессовывания (шприцевания) фарша в обо-
лочку, пельменей - методом штампования.
В молочной промышленности для фор-
мования сыра и творожных изделий применя-
ют прессование в замкнутом объеме.
Сложность технологического процесса
формования пищевых масс связана с разнооб-
разием применяемого сырья, выбором рецеп-
турных соотношений компонентов, необходи-
мостью учета изменений, происходящих в пе-
риод переработки. Поэтому выбор оборудова-
ния и режима обработки пищевых масс должен
гарантировать получение продуктов с заранее
заданными свойствами. Свойства перерабаты-
ваемых пищевых масс и требуемая форма го-
товых изделий определяют как способ формо-
вания, так и тип формующего оборудования.
В связи с этим формующее оборудование
предлагается классифицировать по следующим
признакам:
по типу нагнетателя - поршневое (одно- и
многопоршневые), шестеренное, валковые
(двух- и многовалковые), пластинчатое, шне-
ковое (одно- и многошнековые), комбиниро-
ванное;
по характеру движения нагнетателя и
продукта - непрерывного и периодического
действия;
по рабочей характеристике нагнетателя -
с жесткой, мягкой и переменной характеристи-
кой;
по числу нагнетателей - с одним, с не-
сколькими одного типа, с несколькими разного
типа;
по наличию принудительного питания - с
питателем (валковым, шнековым), без питате-
ля;
по способу отделения продукта - с ре-
жущим устройством, с золотниковым отсека-
телем, с разрывом жгута.
Основным признаком, определяющим
конструкцию формующего оборудования, яв-
ляется тип нагнетателя. В пищевой промыш-
ленности применяются следующие типы на-
гнетателей: поршневые (с одним или несколь-
кими поршнями), шестеренные, валковые (с
одной парой валков и более), пластинчатые,
шнековые (с одним или несколькими шнека-
ми), комбинированные.
Поршневые нагнетатели применяются
при формовании отливкой и отсадкой текучи,х
пищевых масс, таблетировании сыпучих масс,
штамповании высоковязких сред.
Шестеренные нагнетатели в качестве
рабочих органов имеют, как правило, зацеп-
ляющиеся между собой шестерни, которые,
вращаясь в неподвижном кожухе, обеспечива-
ют объемное передавливание продукта из зоны
питания в зону нагнетания.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ И ФОРМОВАНИЯ
461
Валковые нагнетатели применяют, как
правило, в тех случаях, когда нет необходимо-
сти в создании высоких давлений.
Принцип действия пластинчатых нагне-
тателей не отличается от действия аналогич-
ных лопастных насосов.
Шнековые нагнетатели получили наи-
большее распространение в пищевой промыш-
ленности. К их достоинствам можно отнести
возможность непрерывной подачи массы, соз-
дания высокого давления (шнековые макарон-
ные прессы), пластификации и термостатиро-
вания материала при прохождении по длине
шнека. Формующие машины со шнековыми
нагнетателями подразделяют на одношнековые
и многошнековые. При этом шнеки могут на-
ходиться во взаимном зацеплении.
Так как выбор кинематической схемы,
исполнительных и передаточных механизмов
зависит от характера движения нагнетателя,
все формующие машины можно разделить на
два вида: машины с непрерывным и периоди-
ческим движением нагнетательных органов.
Одновременно в зависимости от характера
движения продукта в предматричной камере
формующие машины делятся на два вида: ма-
шины с непрерывной и периодической подачей
продукта.
Общепринято оценивать работу фор-
мующей машины по рабочей характеристике
нагнетателя - зависимости объемного расхода
от давления. Исходя из этого характеристики
нагнетателей делят на жесткую, мягкую и пе-
ременную.
Жесткая характеристика свойственна
формующим машинам с поршневыми, шесте-
ренными и пластинчатыми нагнетателями, а
также многошнековыми с зацепляющимися
шнеками, мягкая - одношнековым и валковым
нагнетателям. Нагнетатели с переменной ха-
рактеристикой наиболее эффективны в отса-
дочных машинах, в которых необходимо при
непрерывном движении нагнетателя снижать
давление на продукт, находящийся в предмат-
ричной камере.
Для обеспечения стабильности работы
формующей машины продукт в загрузочную
зону подают за счет устройств с вертикальным
и коническим шнеком, а также валками.
6.5.2. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ШТАМПОВАНИЯ
Формование пищевых масс штамповани-
ем широко применяется в различных отраслях
пищевой промышленности: в макаронной -
при производстве фигурных изделий; в конди-
терской - при производстве печенья, пирож-
ных, галет, крекеров, пряников, карамели; в
хлебопекарной - при производстве мелко-
штучных хлебобулочных изделий.
Процесс формования штампованием за-
ключается в получении из полуфабриката от-
дельных заготовок заданной конфигурации при
помощи штампующих устройств различной
конструкции. Для всех штампующих устройств
физическая картина штампования имеет общий
характер - сдавливание полуфабриката и выре-
зание из общей массы заготовки заданной
формы и размеров. При этом на заготовку на-
носится определенный рисунок.
Обратимся к основным закономерностям
формования штампованием. Для выбора гео-
метрических размеров штампа и определения
сил при формовании рассмотрим процесс сжа-
тия между двумя круглыми пластинами проду-
та, относящегося к наиболее сложному реоло-
гическому классу сред, а именно к вязкоупру-
гопластическим средам. Такая модель среды
взята потому, что решения для более простых
моделей сред будут являться частными слу-
чаями общей задачи.
На рис. 6.149, а показана схема сжатия
слоя h продукта между двумя круглыми пла-
стинами, верхняя из которых движется вниз со
скоростью и, а нижняя неподвижна. Выбира-
ем цилиндрическую систему координат rcpz.
Так как процесс течения продукта осесиммет-
ричен, окружная скорость Цр =0 и все произ-
водные по координате ср равны нулю.
С целью упрощения полагаем, что про-
дукт несжимаем и нестационарное течение
происходит в радиальном направлении в усло-
виях изотермического режима.
Реологическое уравнение состояния вяз-
коупругопластического тела согласно (3.25)
имеет вид:
т = т0
1 1 I
—+—ехр
Л11 П2
где Tg - предельное напряжение сдвига;
T|i ,Г|2 - динамическая вязкость; t - текущее
время; X - период релаксации; X = Г|2 /G ;
G - модуль сдвига; у - скорость сдвига.
Давление, возникающее в продукте слоем
h в результате сжатия его круглыми дисками
радиусами R и г
462
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
3”(ЯМ 3,0
р zr------------------1--
4/г3 [1/тц + 1/г)2 ехР( ~'А)] 2А
Сила, необходимая для сдавливания про-
дукта, определяется следующей зависимостью:
F = 2п Prdr =----х
J 2h
3uRq
4/г2 [l/т], +l/n2exp(-//X)]
(6.122)
Из этого выражения легко получаются
зависимости для расчета сил сжатия для част-
ных случаев сжатия продуктов, относящихся к
ньютоновской (/q = 0, t —> оо) вязкопластич-
ной (Г|1 =Ппл оо ), вязкоупругой (Т0 = 0 )
моделям сред.
Одна из распространенных форм продук-
тов, получаемых штампованием, - прямо-
угольная. Для расчета сил при штамповании
изделий прямоугольной формы рассмотрим
процесс сдавливания вязкоупругопластичного
продукта двумя плоскими плитами, полагая,
что нижняя плита неподвижна, а верхняя дви-
жется вниз со скоростью и (рис. 6.149, б).
Расчетная формула для определения си-
лы, необходимой для сдавливания продукта
прямоугольным штампом, имеет вид:
р ___________3uL___________। Зт0
А3[1/П1 +1/П2 ехр(-//Х)] 4h
Процесс сдавливания слоя продукта при
штамповании сопровождается вырезанием из
него ножом штампа заготовки определенной
формы и размеров.
Для определения сил для вырезания заго-
товки можно рассмотреть упрощенную задачу
внедрения тонкого ножа штампа в вязкий про-
дукт.
В этом случае сила, необходимая для
преодоления сопротивления вязкой среды,
определится зависимостью [2]:
F = 2,257(«)3/27p//n^ .
Это уравнение определяет силу, дейст-
вующую на единицу длины острой кромки.
Умножив правую часть уравнения на пе-
риметр острой кромки /7, получим общую силу
для вырезания заготовки заданной формы:
F = 2,257Л(М)3/27р//П,ф •
Штампующие машины для мучных
изделий. Формование штампованием сопро-
вождается резанием продукта, поэтому маши-
ны, предназначенные для этого, называют
штамповально-режущими. В систему машин
для формования на штамповально-режущем
агрегате входят: тестовыжимающая машина
для непрерывной подачи ленты определенной
толщины, валковая машина для прокатки лен-
ты меньшей толщины и формующие штампы.
Можно выделить следующие типы штам-
пующих машин, входящих в состав штампо-
вально-режущего агрегата: легкого типа с од-
ним ведущим звеном в штампующем механиз-
ме, тяжелого типа с двумя ведущими звеньями
в штампующем механизме. При этом машины
могут иметь как равномерное, так и периоди-
ческое движение конвейеров.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ И ФОРМОВАНИЯ
463
Рис. 6.150. Принципиальная схема штампа
Центральным органом штампующей ма-
шины является штамп. На рис. 6.150 показана
принципиальная схема штампа для получения
печенья из упругого теста [3]. К корпусу 1
штампа прикреплены ножи 2, отжимная доска
3. пуансон 4 и прокалывающие шпильки 5.
Штампование тестовых заготовок осуществля-
ется следующим образом. Ножи 2. имеющие
форму стаканчиков, опускаются вниз и выре-
зают тестовую заготовку из ленты теста, при
этом шпильки 5 прокалывают заготовку, обра-
зуя в ней сквозные каналы для удаления обра-
зующихся в тесте газов. Отжимная доска 3 и
пуансон 4 давят на поверхность ленты теста,
нанося рисунок острыми элементами штампа.
Благодаря тому, что при движении ножей
2 вверх отжимная доска 3 остается на поверх-
ности ленты теста до тех пор, пока лезвия но-
жей и концы шпилек не дойдут до нижней по-
верхности отжимной доски, обеспечивается
прилипание тестовой заготовки к штампу.
Основное направление конструкторских
разработок связано, как правило, с совершен-
ствованием конструкции штампов. Так, конст-
рукция штампа, разработанного в США. для
формования пирожных [60] состоит из четырех
трубчатых сопел, вставленных соосно-парал-
лельно-телескопически. Эта конструкция по-
зволяет формовать пирожное в виде разноок-
рашенных слоев теста. Оригинальные конст-
рукции штампов позволяют получать изделия с
разнообразным рисунком.
Штампующие машины для конфет. В
кондитерской промышленности при производ-
стве карамели применяют ротационно-
штампующие машины А2-ШФК, А2-ШФР,
позволяющие получать из карамельного жгута
карамели заданной формы и размеров, при
этом на боковые поверхности изделий нано-
сится рисунок.
Рассмотрим принцип работы ротацион-
ной штампующей машины А2-ШФК (рис.
6.151) [3]. Карамельный жгут поступает на
ролики 1 и подается к ротору /2, который при-
водится во вращение зубчатым колесом 7. На
роторе расположен венец /3, состоящий из
неподвижных и откидных ножей 2, поворачи-
вающихся на оси /5, связанной жестко с рото-
ром. На другом конце откидного ножа имеется
ролик 3, который при качении по копиру 6
приближает откидной нож к неподвижному
ножу. При смыкании откидного ножа 2 с не-
подвижным, копиры 8 сводят пуансоны 11 и
оставляют их прижатыми к изделию при пово-
роте ротора на 60 °. В концевом участке копи-
ров 8 пружины 9 разводят пуансоны. В случае
поломки пружин пуансоны разводятся копира-
ми 5, по которым скользят ролики 10. при этом
ножи 2 отводятся от неподвижных ножей ко-
пиром 4. Отформованная карамель поступает
на отборочный конвейер 14.
Штампующие машины для макарон-
ных изделий. Одной из наиболее распростра-
ненных штампующих машин в макаронной
промышленности является машина фирмы
Брайбанти [6] (рис. 6.152). Машина включает
Рис. 6.151. Ротационно-штампующая машина
А2-ШФК
464
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Рис. 6.152. Штампующая машина для макаронных изделий фирмы Брайбанти
рольганг /, калибрующее устройство 2, валики
3, стол 4, подающий барабан 5, тормозную
ленту 6, штампующий механизм 7, механизм
резки 8, конвейер обрезков 9, лоток 10, из-
мельчитель //, станину 12, маховик 13, пнев-
моконвейер 14, циклон 15. Благодаря тому, что
станина 12 оборудована катками, штамп-
машина для работы подкатывается и устанав-
ливается в линию с прессом, при этом махови-
ком 13 катки поднимаются, и штамп-машина
своей опорной поверхностью устанавливается
на полу цеха.
Тестовая лента шириной 585...600 мм по-
ступает из матрицы пресса на рольганг / и
подается в зазор между калибрующими валка-
ми 2, где раскатывается до толщины
0,9... 1,1 мм. Подающим барабаном 5 раскатан-
ная лента направляется в штампующий меха-
низм 7. В штампующем механизме имеется
неподвижная плоская матрица, через отверстия
которой проходят пуансоны, форма которых
соответствует пространственной фигуре изде-
лия. Шаг подачи тестовой заготовки под штамп
обеспечивается подающим барабаном 5. От-
штампованные изделия поступают в лоток 10.
Отходы тестовой ленты измельчаются меха-
низмом резки 11 и пневмоконвейером 14 по-
даются через циклон в тестосмеситель.
6.5.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ БРИКЕТИРОВАНИЯ,
ТАБЛЕТИРОВАНИЯ
В пищевой промышленности все большее
применение находит брикетирование (таблети-
рование) различных материалов: сахара, кон-
центрата, кондитерских порошков, чая, кофе,
специй, пряностей и др. Брикетирование (таб-
летирование) - механический процесс получе-
ния изделий или полуфабрикатов в виде не-
больших. определенной формы и размеров
брикетов (таблеток) из сыпучих или порошко-
образных материалов. Оно необходимо для
придания пищевым материалам улучшенных
технологических свойств, предотвращения
слипания, обеспечения возможности использо-
вания материала мелкими порциями, улучше-
ния гигиеничности и увеличения продолжи-
тельности хранения придания изделиям ком-
пактности и облегчения транспортирования.
Брикеты (таблетки) получают прессова-
нием «чистых» порошков или их смесей со
вспомогательными веществами. В пищевой
промышленности для массового производства
таблеток используются роторные машины,
имеющие большую производительность и
обеспечивающие хорошее качество продукции.
Для небольшого производства используются
кривошипные и гидравлические машины.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ И ФОРМОВАНИЯ
465
Прессуемость материала зависит от его
физико-механических свойств (прочности,
твердости, упругости и др.), наличия добавок,
формы зерен, гранулометрического состава,
влажности, температуры и некоторых других
факторов. Прессуемость порошка характеризу-
ется прочностью брикета (обычно при испыта-
нии на сжатие) после снятия давления. Прес-
суемость порошка - это способность его час-
тиц к когезии под давлением, т.е. способность
частиц вещества под влиянием сил (молеку-
лярных, абсорбционных, электростатических и
механических зацеплений) к взаимному при-
тяжению с образованием при этом устойчивой
прочной прессовки. Чем лучше прессуемость
порошка, тем выше прочность и устойчивость
к истиранию брикета.
Оценка прессуемости материала произ-
водится разными методами: установлением
давления, необходимого для получения брике-
тов с заданной плотностью, определением
плотности брикетов, отпрессованных при за-
данном давлении прессования; определением
физико-механических свойств брикетов в зави-
симости от давления прессования. Иногда ка-
чество брикетов оценивают визуально (брикет
не должен иметь раковин, вздутий, трещин и
т.п.), наиболее часто в качестве показателя
прессуемости принимается изменение плотно-
сти, прочности и упругости брикетов в зависи-
мости от давления прессования.
Процесс брикетирования осуществляется
в условиях всестороннего сжатия в замкнутом
пространстве. По характеру движения пуансо-
нов различают прессование с выдержкой и без
выдержки прессуемого пищевого материала
под давлением. Прессование с выдержкой
обеспечивает благоприятные условия для уда-
ления воздуха из прессуемого порошка и ведет
к частичному рассасыванию внутренних на-
пряжений, в результате чего предотвращается
расслаивание брикетов.
Различают одностороннее и двустороннее
прессование. В первом случае прессование
ведется одним пуансоном, при этом наиболь-
шее давление испытывает слой материала,
непосредственно примыкающий к пуансону, в
этом случае наименьшее давление в материале
возникает в слое, расположенном посередине
высоты таблетки.
Одностороннее прессование применяют,
если отношение высоты брикета к его ширине
не более трех. При двустороннем прессовании
оба пуансона движутся с одинаковой скоро-
стью и создают равное давление на верхней и
нижней поверхностях брикета. При прямом
прессовании в несколько раз сокращается вре-
мя производства брикетов, снижается их стои-
мость. Такое брикетирование может быть осу-
ществлено при добавлении вспомогательных
веществ, улучшающих технологические свой-
ства материала, или путем принудительной
подачи прессуемою материала в матрицу. По-
дача материала на формующих машинах (в
основном внутри питающей воронки) осущест-
вляется специальными устройствами, обеспе-
чивающими заполнение матриц прессуемым
материалом. Другая возможность подачи мате-
риала - действием разности давлений окру-
жающей среды и внутри матрицы происходит
засасывание порошка в отверстие матрицы при
опускании нижнего пуансона. Для возникнове-
ния эффекта засасывания необходимо, чтобы
зазор между стенками отверстия матрицы и
боковой поверхностью нижнего пуансона был
минимальным. В этом случае при опускании
пуансона будет создаваться разреженное про-
странство, ограниченное сверху слоем прес-
суемого материала, а снизу торцовой частью
нижнего пуансона. В результате материал заса-
сывается в полость отверстия матрицы, цели-
ком заполняя ее. Другим примером является
прессование на машинах, загрузочные и прес-
сующие устройства которых соединены с ва-
куумной линией.
От физико-механических свойств перера-
батываемого материала, его дисперсности и
температуры, конечного объема спрессованно-
го продукта зависят зоны предварительного
уплотнения, упругость массы, работа, затрачи-
ваемая на изменение формы, и скорость на-
гружения материала.
Основными физико-механическими свой-
ствами при прессовании сыпучих пищевых
материалов являются: плотность, объемная
масса, пористость, угол естественного откоса и
сыпучесть. Важнейшими являются плотность и
объемная масса (табл. 6.26). Плотность равна
отношению средней массы продукта к его объ-
ему, который определяют введением материала
в какую-либо жидкость (воду, петролейный
эфир, масло). Объемная масса порошка зависит
от его плотности, пористости и определяется
как отношение массы материала к занимаемо-
му объему. Так, объемная масса порошков,
подвергаемых таблетированию, колеблется в
широких пределах: кондитерских порошков
«Холодок» и «Южный» равна 788 кг/м3, басмы
466
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
и хны - 490...500, а быстрорастворимого зеле-
ного чая - 192 кг/м3.
Как видно из табл. 6.26, объемная масса
всегда значительно меньше плотности из-за
наличия свободного пространства между час-
тицами материала. Соотношение частиц по
крупности является одним из важнейших при-
знаков, определяющих механические свойства
сыпучих пищевых материалов. В зависимости
от вида и размера частиц изменяется объемная
масса материала, играющая роль при выборе
размеров пресс-формы, способов дозирования
и формования.
6.26. Плотность и объемная масса сыпучих
брикетируемых материалов
Пищевой материал Плотность, кг/м3 Объемная масса, кг/м3
Чай:
байховый 700... 1550 200... 300
быстрорастворимый 1210 192
Растворимый кофе 1470 313
Крахмал:
картофельный 1648 650...702
маисовый 1623 550
Молоко сухое 560...959 400... 500
Какао-порошок 857...1475 430...500
Сахарный песок 1538...1588 800... 880
Брикетированный сушеный свеклович- ный жом 1190...1250 581...676
Кукуруза 1220... 1240 675
Пектин:
яблочный 900 450...500
свекловичный 1100 750
Мука:
пшеничная 1450 450...550
рыбная 1250 510...540
крилевая 1310 465... 495
Порошок:
для таблетированных конфет «Южный 1240 813
аромат»
для таблетированных конфет «Ягодка» 1339 835
Прессование брикетов, таблеток. Прес-
сование сыпучего материала в матрице сопро-
вождается уменьшением его объема, вследст-
вие чего увеличиваются объемная масса и
прочность брикета. Сила прессования расходу-
ется на уплотнение продукта и преодоление
трения материала о стенки матрицы. В практи-
ке прессования ipenne отрицательно сказыва-
ется на проведении процесса, так как приводит
к неравномерному распределению давления по
высоте и поперечному сечению брикета и, сле-
довательно, к неравномерной плотности по
объему спрессованного материала.
Отношение плотности брикета р^р к
плотности порошка в насыпном состоянии pg
характеризует степень его уплотнения
Р = рбр/ро- Известно, что относительное
уплотнение материала 8 характеризует отно-
сительное уменьшение его высоты в матрице
при брикетировании:
8 = (tf0-z)/tf0; 8 = (₽-!)/₽.
Величины Р и 8 являются переменны-
ми, зависящими от давления прессования. Они
характеризуют способность материала увели-
чивать свою плотность при приложении на-
грузки и образовывать брикеты заданной фор-
мы и размеров. Поэтому основной задачей
теории прессования является установление
зависимости между давлением прессования и
величинами, характеризующими уплотняе-
мость материала.
На практике часто принимают, что дав-
ление по высоте прессуемой табле тки распре-
деляется равномерно. Это допущение не вно-
сит значительной погрешности при расчете
матриц на прочность, которая зависит от мак-
симального бокового давления. Эго обстоя-
тельство не влияет также на определение по-
терь при трении.
В действительности с возникновением
силы трения в процессе таблетирования давле-
ние в прессуемом материале распределяется
неравномерно. При одностороннем прессова-
нии давление и плотность в слое брикета, при-
мыкающем к прессующему пуансону, имеют
наименьшие значения в центре и увеличиваются
к краям. В слое, примыкающем к неподвижному
пуансону (дну матрицы), максимальные давле-
ние и плотность - в центре, минимальные - у
краев брикета. При удалении от подвижного
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ И ФОРМОВАНИЯ
467
Рис. 6.153. Схемы прессования брикетов круглой (а) и кольцевой (0) форм
пуансона давление и плотность уменьшаются
от слоя к слою. При двустороннем сжатии наи-
более прочными и плотными являются основа-
ния брикета, а наименее прочной - его средняя
часть.
В работе Г.К. Бермана рассмотрен про-
цесс образования таблеток круглой и кольце-
вой форм (рис. 6.153). Сыпучий продукт по-
мещаем в пресс-форму /, где он под действием
поршня 2, двигающегося со скоростью ,
уплотняется и спрессовывается. Выбираем
цилиндрическую систему координат г 0 z .
Для выделенного элемента высотой dz в сы-
пучем продукте получаем дифференциальное
уравнение изменения давления по мере
уменьшения высоты таблетки:
— +Apz -В = 0, (6.123)
dz
где A = коэффи-
циент бокового давления; f - коэффициент
трения продукта о поверхность матрицы; рд~
начальная плотность сыпучего продукта,
кг/м3.
При граничном условии z = Нк давление
Pz “ Рт ’ т е- соответствует состоянию мате-
риала с конечной плотностью рк. Конечная
плотность продукта рк определена технологи-
ческими условиями процесса брикетирования.
В результате решения уравнения (6.123) с
учетом граничных условий получаем
Из рассмотрения движения элемента
кольцевого брикета по аналогии с (6.123) име-
ем
^y-+A\pz-B\ =0. (6.124)
dz
2^Rfx+cf2)
где At =------------; В =------; с - внут-
R-c2
ренний радиус таблетки, м; коэффици-
енты трения продукта о поверхность пресс-
формы на радиусах Рис.
Решение уравнения (6.124) имеет вид
аналогичный, только А - Л] .
Таким образом, выражение (6.123) позво-
ляет определить закон изменения давления по
мере уменьшения высоты слоя прессуемого
материала в зависимости от геометрических и
кинематических параметров пресс-формы, а
также от физико-механических свойств про-
дукта.
Экспериментальные исследования про-
цесса брикетирования плиточного чая, а также
быстрорастворимых чая и кофе позволили ус-
тановить, что зависимость бокового давления
р0 от давления прессования pz описывается
уравнением вида:
468
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
пг
Рб = npz ,
(6.125)
где /7, т - эмпирические коэффициенты, зави-
сящие от физико-механических свойств мате-
риала.
При давлении прессования более
140 МПа имеем т = \, и уравнение (6.125)
становится линейным.
Результаты опытов В.Г. Хведелидзе с
плиточным чаем показали, что давление по
высоте брикета изменяется по следующему
закону:
Р = Рв ехр
А
где /?в - давление прессования, Па; L - пери-
метр матрицы, м; 5 - площадь поперечного
сучения матрицы, м2; £ - коэффициент боко-
вого давления; f - коэффициент трения; /zq-
начальная высота продукта в матрице, м; h\ -
текущая высота продукта, м.
По мере удаления от пуансона давление
уменьшается, зависит от физико-механических
характеристик продукта (/,5) и размеров
матрицы На него большое влияние
оказывает соотношение LHq/S . Неравномер-
ность распределения давлений по высоте бри-
кета будет тем ниже, чем меньше это соотно-
шение. В связи с этим целесообразно прессо-
вать низкие брикеты с минимальным отноше-
нием L/S при заданной массе брикета.
Экспериментальное изучение характера
распределения давления в таблетируемом про-
дукте при одностороннем прессовании показа-
ло, что зависимость давления на дно пресс-
формы рн от давления для порошка раствори-
мого чая и кофе имеет вид, близкий к
линейной:
Рн = CPS <
где р - давление прессования, МПа; с и 5 -
эмпирические коэффициенты; для чая с = 0,72;
s -= 1,02; для кофе - соответственно 0,6 и 1,03.
В результате опытов было установлено,
что при прессовании таблеток высотой 3,5 мм
давление прессования на дно матрицы состав-
ляет 60...85 % давления прессования при его
изменении от 100 до 200 МПа. При прессова-
нии рафинадных брикетов высотой 23 мм, по
данным А.Н. Степанова, давление на дно мат-
рицы не превышает 30 % давления на пуансон.
Важным реолого-механическим парамет-
ром, характеризующим процесс прессования в
условиях всестороннего сжатия, является ко-
эффициент бокового давления £ , равный от-
ношению бокового давления к давлению прес-
сования. Он зависит от упругих свойств про-
дукта и является показателем качества системы
в отношении ее деформируемости. Величина
£ = 0...1 для различных материалов: для нью-
тоновских жидкостей £ = 1, а для абсолютно
твердого тела £ = 0 .
Коэффициент бокового давления чая при
давлении прессования до 10 МПа находится в
пределах 0,15...0,18. При более высоком дав-
лении £ прямо зависит от давления прессова-
ния [60]:
^ = к1Р+к2,
где Ад, 7^2“ эмпирические коэффициенты,
зависящие от свойств чая.
При изменении влажности чая от 6 до
10,7 % значение Лд повышается от 1,8-10’3 до
1,85-10’3 МПа'1, а значения ^2_ от 0,145 до
0,161.
Обработка опытных данных позволила
установить зависимость между коэффициентом
бокового давления, давлением прессования и
влагосодержанием прессуемого чая следующе-
го вида:
^ = 1,510-4Иг2 +
+ (1,7 10-3+ 1,5 10~5И/)р + 0,1415.
(6.126)
Уравнение (6.126) справедливо для дав-
ления р = 10...250 МПа и влажности чая
W = 6... 10,7 %.
Как видно, коэффициент бокового давле-
ния не является постоянным и для различных
режимов прессования байхового чая изменяет-
ся от 0,16 до 0,565. Для растворимых чая и
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ И ФОРМОВАНИЯ
469
кофе при давлении прессования до 20 МПа
коэффициент бокового давления имеет малое
значение, порядка 0,05. При повышении давле-
ния от 20 до 200 МПа он значительно изменя-
ется: для чая от 0,05 до 0,26; для кофе от 0,5 до
0.21.
При брикетировании возникает внешнее
трение продукта о стенки пресс-формы, зави-
сящее от характера взаимодействия поверхно-
стей трущихся тел. На преодоление сил трения
затрачивается работа, трение вызывает износ
деталей прессов, ограничивает срок службы
пресс-инструмента.
Если предположить, что давление рас-
пределяется равномерно по поперечному сече-
нию матрицы, то при прессовании таблеток
плоскоцилиндрической формы давление прес-
сования
Рв =Рн+(4Л/^)#б>
где рв- давление на верхнем пуансоне, Па;
/?н- давление на нижнем пуансоне, Па; h-
высота таблетки, м; d - диаметр таблетки, м;
f - коэффициент трения; р§- боковое давле-
ние, Па.
При двустороннем прессовании равно-
действующая силы трения является внутренней
силой по отношению к системе пресс-форма -
прессуемый материал. В этом случае сила тре-
ния не оказывает влияния на силу прессования
нижнего пуансона. Сила создаваемая машиной
на верхнем пуансоне, равна силе на нижнем
пуансоне.
В случае двустороннего прессования
можно считать, что таблетка посредине разде-
лена по высоте некоторым нейтральным слоем.
При этом частицы прессуемого материала,
находящиеся в нейтральном слое, будут непод-
вижны относительно матрицы.
Коэффициент трения в процессе брикети-
рования байхового чая влажностью 6... 10,7 %
с увеличением давления прессования от 40 до
200 МПа уменьшается от 0,25 до 0,14. Это объ-
ясняется следующим: при повышении давле-
ния частицы порошка деформируются, боковая
поверхность таблетки становится гладкой;
выступы на поверхности пресс-формы обвола-
киваются тончайшим слоем таблетируемого
материала; под действием высокого давления
этот слой разогревается и создаются условия,
близкие к условиям жидкостного трения.
Трение порошка о матрицу в процессе
брикетирования вызывает снижение давления
прессования по высоте прессовки, что, в свою
очередь, приводит к изменению коэффициента
трения по высоте прессуемого продукта.
В начале процесса прессования сыпучих
материалов давление растет незначительно,
при этом происходят интенсивное выделение
воздуха из прессуемою магериала, переориен-
тация частиц, в результате чего материал уп-
лотняется. Затем наблюдается резкое повыше-
ние давления при незначительном перемеще-
нии пуансона, при этом сыпучий материал
превращается в компактное тело.
Для выталкивания из матрицы запрессо-
ванного брикета требуется сила на преодоле-
ние трения и адгезии между боковой поверхно-
стью брикета и стенкой матрицы. Как показали
результаты опытов, удельная сила выталкива-
ния брикета из матричной полости создает
часть давления прессования. М.Ю. Бальшин
предложил определять выталкивающую удель-
ную силу по разности давлений между верх-
ним и нижним пуансонами.
После снятия давления прессования и вы-
талкивания брикета из матрицы под действием
остаточных напряжений происходит его все-
стороннее расширение (упругое последейст-
вие). Снятие давления прессования приводит к
некоторому уменьшению бокового давления,
что является следствием упругого расширения
брикета по высоте, происходящего еще в мат-
рице. Это расширение тем больше, чем меньше
коэффициенты внешнего трения и бокового
давления. Процесс упругого расширения за-
канчивается через некоторое малое время по-
сле выталкивания брикета из матрицы и сопро-
вождается увеличением всех его размеров.
При брикетировании принято, что при-
ращение высоты брикета (особенно для табле-
ток) в результате упругого последействия су-
щественной роли не играет, и выталкивающая
сила зависит в основном от упругого последей-
ствия в радиальном направлении.
Знание закономерностей упругого после-
действия имеет большое практическое значе-
ние для правильного расчета пресс-форм. Этот
процесс довольно часто является непосредст-
венной причиной появления трещин, коробле-
ния и других видов брака изделий и их разру-
шения из-за недостаточной прочности. Упру-
гое последействие брикетов зависит: от дис-
персности и формы частиц прессуемого мате-
риала; от его физико-механических и физико-
470
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
химических свойств; от давления прессования,
наличия вспомогательных веществ и ряда дру-
гих факторов. Механизм упругого расширения
брикетов достаточно сложен и многообразен,
так как зависит от конфигурации частиц мате-
риала и характера упругого взаимодействия их
контактов.
Применительно к процессу таблетирова-
ния для определения выталкивающей силы
предложен следующий метод: при давлении
117 МПа в матрице формуется таблетка с бо-
ковой поверхностью 1 см2. Как было установ-
лено, сила выталкивания таблеток из матрицы
стальной марки ХВГ для быстрорастворимого
зеленого чая составляет 4,6... 7,8 кН, а для
растворимого кофе - 2,6...2,8 кН. Что касается
силы выталкивания из матрицы, изготовленной
из оргстекла, то для чая она составляет
3,2...3,5 кН, а для кофе - 1,8...2,0 кН. Таким
образом, сила выталкивания таблетки из сталь-
ной матрицы примерно на 30 % больше, чем
матрицы, изготовленной из оргстекла.
Кроме перечисленных факторов, на вы-
талкивающую силу влияет форма таблеток и
матрицы. Например, для таблеток, имеющих
двояковыпуклую форму, сила выталкивания
значительно меньше, чем у плоскоцилиндриче-
ских такого же диаметра и массы. Для сниже-
ния этой силы матрицы покрывают антиадге-
зионными материалами или изготовляют их
конической формы, полагая, что в результате
этого уменьшается трение таблетки о стенки
матрицы во время выталкивания. Для практи-
ческих расчетов принимается, что сила вытал-
кивания составляет 25...35 % силы прессова-
ния.
При брикетировании пищевых материа-
лов большое значение имеет введение в прес-
суемую массу различных наполнителей, кото-
рые придают прессуемой массе новые свойства
и облегчают изготовление брикетов. Механизм
действия, масса и вид вспомогательных ве-
ществ определяются их физико-химическими,
физико-механическими и технологическими
свойствами. В качестве наполнителей приме-
няют индифферентные для организма вещест-
ва, отвечающие требованиям по чистоте, прес-
суемости и распадаемости брикетов.
По технологическому назначению напол-
нители делятся на связывающие и смазываю-
щие. Связывающие вещества в процессе бри-
кетирования обеспечивают хорошее сцепление
частиц и уменьшают упругое последействие. В
качестве связывающих веществ применяются
вода, желатин, сахар, спирт, сахарный сироп и
т.п. Смазывающие вещества сглаживают не-
равномерные формы частиц брикетируемого
материала, уменьшают внутреннее трение и
сцепление частиц при их движении, обеспечи-
вая тем самым более равномерную текучесть
материала. Смазывающие вещества имеют
также немаловажное значение и при выталки-
вании брикетов из матрицы, они уменьшают
адгезию и внешнее трение между стенкой мат-
рицы и боковой поверхностью брикета. В на-
стоящее время в качестве смазывающих ве-
ществ применяют крахмал, тальк, стеараты
кальция и магния. Они находятся в порошко-
образном состоянии, нерастворимы в воде.
Гранулирование. Под гранулированием
понимают процесс получения сыпучего мате-
риала в виде зерен (гранул). В пищевой про-
мышленности пока выпускается мало гранули-
рованных продуктов, хотя количество их с
каждым годом возрастает. Это чай, кофе, раз-
личные напитки, специи, лекарственные травы,
моющие средства и т.п. Особенно широкое
применение гранулирование нашло при произ-
водстве комбикормов. Гранулирование прида-
ет материалу ряд значительных преимуществ:
существенно уменьшает объем, увеличивает
срок хранения с сохранением пищевой ценно-
сти продукта, обеспечивает точность дозиро-
вания, а также удобство хранения, транспорти-
рования и применения.
Взаимодействие между частицами прес-
суемого материала определяется следующими
силами: Ван-дер-Ваальса, электростатически-
ми, механического сцепления и трения, по-
верхностного натяжения и капиллярными. Раз-
личают сухое, влажное и структурное гранули-
рование. В настоящее время на пищевых пред-
приятиях в основном используется способ
влажной грануляции, хотя он достаточно дли-
телен и трудоемок, требует для своего осуще-
ствления многих устройств (смесителей, прес-
сов, сушилок). Для гранулирования влажной
массы применяются специальные машины-
грануляторы, которые бывают горизонтального
и вертикального типов. Более перспективным
является сухое гранулирование, которое может
осуществляться двумя способами: 1) предвари-
тельным брикетированием материала с после-
дующим измельчением брикетов до получения
из них гранул определенного размера; 2) пря-
мым прессованием материала на грануляторах.
Первый способ основан на всестороннем сжатии
продукта, а второй - на принципе экструзии.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ И ФОРМОВАНИЯ
471
ж)
Рис. 6.154. Принципиальные схемы валковых грануляторов
В кондитерской, чайной, парфюмерно-
косметической промышленности широкое рас-
пространение получили валковые машины
(рис. 6.154). Наиболее простой способ грану-
лирования осуществляется на машинах, прин-
цип действия которых заключается в том, что
прессуемый материал подается между двумя
профилированными (рис. 6.154, а) или одним
гладким, а другим профилированным валками
(рис. 6.154, б), вращающимися в разные сторо-
ны, уплотняется и превращается в компактную
гранулу (таблетку). Степень уплотнения мате-
риала зависит в основном от равномерности
поступления его в зазор между валками, их
диаметра и частоты вращения профиля по-
верхности валков, физико-механических
свойств продукта.
Как показали исследования, между на-
званными факторами имеются сложные зави-
симости. Для многочисленных прессуемых
материалов диапазон регулирования скорости
валков очень широк, однако для материалов с
высокой начальной плотностью необходимо
предусматривать небольшую скорость во из-
бежание перегрузки привода машины. Это
особенно важно для машин с питающим нагне-
тательным устройством. Большинство прес-
суемых материалов требует определенного
времени, в течение которого происходит их
уплотнение и развитие пластической деформа-
ции. При слишком малом времени пребывания
материала в межвалковом пространстве возни-
кают большие упругие деформации, и при сня-
тии давления брикеты теряют форму.
На уплотнение продукта оказывает влия-
ние также диаметр валков: с его увеличением
при постоянном зазоре значительно повышает-
ся плотность. Таким образом, на одной и той
же машине в зависимости от диаметра валков
из одинакового материала можно вырабаты-
вать более плотные или мягкие гранулы.
При свободном заполнении формы мате-
риалов, в то время как верхняя часть гранулы
еще спрессовывается, откидывается нижний
472
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
край формы. Под действием уплотняющих сил,
приложенных к верхней части, из формы вы-
талкивается нижняя, почти полностью спрес-
сованная часть гранулы. При таком неравно-
мерном прессовании верхняя часть будет иметь
меньшую плотность, что может привести к
разрушению гранулы. Если в межвалковое
пространство материал подается принудитель-
но с помощью какого-либо питающего устрой-
ства (рис. 6.154, а, б), то получается полноцен-
ная спрессованная гранула заданной формы,
которая легко выходит из формы. Для того
чтобы избежать перегрузки машины вследст-
вие попадания инородных тел или переполне-
ния прессуемым материалом, один из валков
должен быть подвижным (рис. 6.154, а).
Продукт принудительно под давлением
РО подается в межвалковое пространство
(рис. 6.155). В зоне Л происходит турбулентное
движение порошкообразного материала, созда-
ется новая ориентация частиц, наблюдается
некоторое предварительное уплотнение про-
дукта. В зоне В и до положения наименьшего
зазора между валками осуществляется интен-
сивное уплотнение порошка. Будем считать,
что горизонтальный элемент объема при про-
движении по зоне В не изменяет своего гори-
зонтального положения и не проскальзывает по
отношению к валкам.
Порошкообразный материал может быть
максимально уплотнен до порозности, равной
нулю. Под порозностью понимаем отношение
объема, приходящегося на свободное про-
странство между частицами, к полному объему
продукта. Порозность может быть выражена
через плотность спрессованного материала
Рбр и плотность сыпучего материала (до уп-
лотнения) рс :
= (рбр — Рс )/Рбр •
Рис. 6.155. Схема валкового гранулятора
Если принять во внимание предположе-
ние о неизменности положения элемента объе-
ма продукта, а также допустить отсутствие
упругой деформации частиц, текущая пороз-
ность в зоне В может быть выражена следую-
щим уравнением:
ра D(1 -cosa) +
е, = 1---f— --------г----
Рбр LD(’-cos»/) + do J
(6.127)
По формуле (6.127) можно определить
минимальную порозность в начале зоны уп-
лотнения В при б/] = а :
emin
= 1-
РаИ1 -cosa) + t/0]
Рбр^О
Так как 8mjn не может иметь отрица-
тельного значения, то граничное условие будет
иметь вид:
Ра[^0 -cosa) + 6/0] < Рбр^о- (6.128)
Так как во всех случаях прессования в
продукте возникают упругие деформации, то
уравнения (6.127) и (6.128) являются прибли-
зительными, однако приемлемы для предвари-
тельных расчетов.
При проектировании грануляторов осо-
бое значение придается профилированию вал-
ков. Форма гранул, определяемая профилем
поверхности валков, может быть различной:
квадратной, двояковыпуклой, квадратной пло-
ской, прямоугольной двояковыпуклой, круг-
лой, миндалевидной, призматической, пирами-
дальной, седловидной и т.д. При выборе фор-
мы следует учитывать свободный выход спрес-
сованной гранулы из межвалкового простран-
ства. Этому условию удовлетворяют более
плоские (мелкие) формы, из которых гранулы
легко выходят и не растрескиваются.
Наиболее широкое применение в про-
мышленности нашли прессы, на которых пи-
щевой материал продавливается через фор-
мующие отверстия матриц. Такие машины
более производительны и обеспечивают полу-
чение гранул высокого качества. На рис. 6.154, в
показаны прессующие валки, продавливающие
материал через формующие отверстия гори-
зонтальной вращающейся плоской матрицы.
Валки вращаются от соприкосновения с мат-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ И ФОРМОВАНИЯ
473
рицей. Гранулы срезаются ножами, располо-
женными под матрицей. В некоторых конст-
рукциях грануляторов роль матриц выполняют
прессующие валки: валки-матрицы с внешним
забором материала (рис. 6.154, г); один прес-
сующий валок, а другой валок-матрица с
внешним забором материала (рис. 6.154, <Э).
Основным рабочим органом шестерен-
ных нагнетателей являются прямозубые или
спиральные зацепляющиеся между собой шес-
терни, обеспечивающие подачу прессуемого
материала со стороны питания на сторону на-
гнетания. Существенным их недостатком явля-
ется пульсация давления на выходе. Прессы-
грануляторы с шестеренными нагнетателями
имеют пару цилиндрических полых колес с
внешним или внутренним зацеплением
(рис. 6.154, е). Продукт подается питающим
устройством в прессующую секцию машины,
заполняя объемы впадин шестерен. При вра-
щении шестерен их зубья внедряются в про-
дукт, заполнивший объем впадин, и уплотняют
его до плотности, равной плотности гранулято-
ра, а затем выдавливают его из фильер шесте-
ренных матриц. Процесс выдавливания грану-
лированного материала продолжается до мо-
мента совмещения оси зуба с осью формующего
канала. В.Н. Боханом гранулирование в шесте-
ренном прессе условно разделено на три этапа:
уплотнение материала из фильеры матрицы и
отделение ножом гранул; упругое расширение
оставшегося во впадине слоя продукта.
Теоретическая производительность шес-
теренного пресса-гранулятора:
QT = 120лг2\|/рг6и,
где г - радиус основной окружности шестер-
ни, м; \|/ - угол поворота шестерни, соответст-
вующий образованию замкнутого объема еди-
ничной впадины, рад; рг - плотность гранул,
кг/м3; b - ширина зуба шестерни, мм; п - час-
тота вращения шестерни, мин'1.
Большое распространение получили гра-
нуляторы, в которых прессующее устройство
(рис. 6.154, ж) состоит из вращающейся гори-
зонтальной или вертикальной кольцевой мат-
рицы 1 с радиальными формующими отвер-
стиями прессующих роликов 2, распредели-
тельных скребков 3 и закрепительной планки 4.
Продукт подается внутрь матрицы, захватыва-
ется рифлеными валками, продавливается че-
рез отверстия матрицы и срезается ножом 5 в
виде гранул. Процесс гранулирования условно
разбит на три периода: сжагие в клиновидном
зазоре между валком и матрицей, выдавлива-
ние спрессованного продукта из фильеры; уп-
ругое последействие оставшегося слоя спрес-
сованного материала на матрице [9]. Гранула
образуется в формующем отверстии за счет
многократного вдавливания порций продукта в
фильеру.
Теоретическая производительность (кг/ч)
валковых грануляторов с кольцевой и плоской
матрицами определяется соответственно по
формулам:
2т = 4К0,потр/?2^2 (75/4-cosосм -1/2)о2 ;
2т = вко .потР/?|'1 (я/ - r2 )(' -cosaB )о>.
где А и В - постоянные коэффициенты;
А = 3,6 • 1О3; В = 1,8 1О3 \ т ~ число валков;
р - плотность прессуемого продукта, кг/м3;
ширина кольцевой матрицы, м; /?],/?2~
соответственно внешний и внутренний радиу-
сы слоя материала на плоской матрице, м;
0)2, -угловая скорость соответственно коль-
цевой и плоской матрицы, рад/с; Ко п - коэф-
фициент объемной подачи захвата валка и мат-
рицы; otB,aM - углы захвата валка и матрицы.
В работе [10] аналитически установлена
связь между радиальным давлением, обеспечи-
вающим процесс прессования, физико-
механическими характеристиками продукта,
основными размерами прессующей секции и
кинематическими параметрами матрицы и валка.
Радиальное давление
Рг = Р\ ехР
a
абр )
+ £>(а-абр)
а
11
-Аехр В-------+D(a-(x6D) Г exp -
a a6n v р 7 J
L V Ja6 L
474
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
2
где Я = £рс —; 5 = 4^(/в+/м);
а
D = 0,5£/м ; pj - давление на входном сече-
нии формующего канала, Па; а - угол захвата
валка, рад; а^р - угол поворота валка, при
котором начинается выдавливание гранул из
матрицы, рад; а^р = рса/рбр ; рбр- плот-
ность гранул, кг/м3; £, - коэффициент бокового
давления; рс- начальная плотность сыпучего
продукта, кг/м3; i/q - окружная скорость валка,
м/с; /в,/м- коэффициенты трения продукта
соответственно о валок и матрицу.
Мощность, необходимая для гранулиро-
вания на валковом прессе,
/У = А/ур.м + ^тр.В^В ’
где м. Л/трв- крутящий момент соот-
ветственно на матрице и на валке, Н м; (DM ,
0)в- частота вращения соответственно матри-
цы и валка, с'1.
Крутящие моменты сил трения:
0См
2 f CL
М™ = mLRt Г. prcos —t/a;
ip.M М J М J г Г ’
абр
ав
А^ гр.в ~w^^b/b J prdCL ,
абр
где т - число прессующих валков, соответст-
венно матрицы и валка, м; L- длина прес-
сующего валка, м; /?м, /?в - радиус соответст-
венно матрицы и валка.
Максимальную теоретическую произво-
дительность валкового пресса с кольцевой
матрицей предложено определять оп формуле:
5
4
Qj ~ ^оРбр^м^^
абр
-cos—-
2
абр
ав
2
На практике выбирают RM = 2KRB (при
К > 1). При этом угол захвата валка
а < arcsin(2/f sin у),
где \|/ - эквивалентный угол трения;
Одним из важных технологических пока-
зателей качества таблеток является их форма,
которая должна соответствовать определенным
заданным требованиям спрессованного пище-
вого продукта (конфеты, бульонные кубики,
чай и др.). Из всего разнообразия форм табле-
ток (плоскоцилиндрическая, сводчатая, шаро-
видная, двояковыпуклая, прямоугольная и т.д.)
самой распространенной формой является
плоскоцилиндрическая, так как производство
таблеток такой формы требует меньше затрат,
и пресс-инструмент для их изготовления более
прост по конструкции. Таблетки плоскоцилин-
дрической формы также легче упаковываются
автоматами. Оптимальная форма плоскоци-
линдрической таблетки наблюдается тогда,
когда высота таблетки не превышает 40 %
диаметра.
Э.Э. Кольманом - Ивановым и К.А. Са-
лазкиным предложен ряд формул для опреде-
ления оптимальных значений диаметра и высо-
ты таблетки, соответствующих ее максималь-
ной высоте при заданных усилиях и прессова-
ния и давлении на нижнем пуансоне.
При прессовании диаметр d таблетки
предложено рассчитывать по формуле:
d = >
а высоту
h = — у/К /^Рн <
тср /
где рн- давление на нижнем пуансоне, Па;
рв - максимальная сила таблетирования, Н;
тср - средняя удельная сила трения, Па.
Следует отметить, что при двустороннем
таблетировании высота таблетки окончательно
принимается в 2 раза большей по сравнению с
высотой, полученной по этой формуле.
При проектировании таблсгирующих
машин часто оказывается необходимым по
известной массе таблетки найти диаметр и
высоту таблетки при минимальной силе прес-
сования:
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ И ФОРМОВАНИЯ
475
TCPG
d = 23рЕ—
рррн
h= Рн pPG,W
тср V Wh
где т - масса таблетки, кг; р- плотность
прессуемого материала, кг/м3.
Рекомендуются следующие соотношения
массы и диаметра таблеток.
Масса, г.............. 0,5 0,5...1 1...1,5 1,5...2 2...5 5...8
Диаметр
таблетки, мм.......... 12 14 16 20 25 30
Машины для прессования сыпучих
продуктов. Различные требования к структуре
и внешнему виду продуктов обусловливают
многообразие способов прессования, т.е. обра-
ботки сыпучих пищевых материалов давлени-
ем с целью их уплотнения. Основным призна-
ком, определяющим конструкцию и область
применения прессов, является тип нагнетателя.
В настоящее время в промышленности работа-
ют следующие типы прессов: поршневой, шес-
теренный, шнековый, валковый, роторный, ло-
пастной, ленточный, пневматический и комби-
нированный. Наиболее распространенными
являются пять первых типов. Поршневые нагне-
татели имеют ограниченное применение вслед-
ствие низкой производительности и периодич-
ности работы. Они используются при производ-
стве помадных конфет, концентратов каш и
киселей, сахара-раф инада, плиточного и брике-
тированного чая, лекарственных трав и т.д.
В сахарной промышленности прессы
применяются для отжатия и прессования сыро-
го жома, брикетирования высушенного жома и
получения брусков сахара-рафинада. Сухой
жом и рафинадную кашку брикетируют на
прессах до плотности, при которой брикет не
может самопроизвольно разрушаться. Для
производства прессованного сахара-раф ин ада
используются дисковые ротационные прессы,
которые состоят из следующих основных уз-
лов: набивной коробки для приема рафинадной
кашки; диска с матрицами и пуансонами; упо-
ра для прессования брикетов рафинада; меха-
низма натирки стола; механизма подачи сахара
в матрицы; механизма сталкивания спрессо-
ванных брикетов; механизмов подъема пуан-
сонов и поворота диска.
Основной рабочий стол пресса совершает
горизонтальное вращательное движение (рис.
6.156). За один оборот стол делает четыре ос-
тановки, в течение которых производятся сле-
дующие операции: 1 - пуансон отведен вниз,
матрица заполняется рафинадной кашкой; II -
пуансон перемещается вверх, происходит прес-
сование бриксга сахара; 111 - брикет рафинада
выталкивается пуансоном из матрицы; IV - пу-
ансон очищается от остатков сахара и натира-
ется мастикой. Затем цикл повторяется. Мат-
рицы пресса представляют собой латунные
коробки, которые закрепляются в отверстиях
диска. Рабочая поверхность матрицы и пуансо-
нов полируется, что предупреждает от прили-
пания кашки. Размеры брикетов 23x23x184 мм.
производительность пресса 24...26 брикетов в
минуту.
Для получения сахара-рафинада приме-
няют также пресс с двусторонним прессовани-
ем. Такой пресс имеет ротор с 48 матрицами, в
которых перемещаются верхние и нижние пу-
ансоны, вращающиеся вместе с ротором вокруг
вертикальной оси. Двустороннее прессование
позволяет при одном и том же давлении прес-
сования получить более прочные брикеты са-
хара (порядка 3 МПа при давлении прессова-
ния больше 10 МПа).
Пресс Б6-ПК2-Т с поршневым нагнетате-
лем при двустороннем прессовании предназна-
чен для брикетирования пищевых концентра-
тов (крупяные каши, плодово-ягодные кисели,
супы и т.д.). Производительность пресса в за-
висимости от частоты сращения стола
(4,1...9,2 мин1) составляет 2460...5520 брике-
тов/ч при массе брикета 0,2 кг.
Рис. 6.156. Схема поршневого прессования
рафинадной кашки
416 Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
В.П. Бородянский прессы для уплотнения
сыпучих пищевых материалов делит на три
класса: 1) у которых уплотнение осуществля-
ется в замкнутом объеме, в пресс-камере при
однократном и многократном прессовании;
2) на которых производятся спрессовывание и
выдавливание материала через формующие
каналы матриц штемпельных и шнековых ма-
шин, а также грануляторов; 3) у которых уп-
лотнение происходит при прокатке сыпучего
материала на ленточных, валковых или коль-
цевых устройствах.
Таблетирующие машины, применяемые в
пищевой промышленности, имеют различные
конструктивные формы. Их можно классифи-
цировать по следующим признакам: по виду
привода (механический, гидравлический, ком-
бинированный); по характеру движения рабо-
чих органов при прессовании обрабатываемого
продукта в машине; по способу прессования
(одностороннее, двустороннее), по типу уст-
ройств для компенсации давления прессования.
В настоящее время используются кривошип-
ные (эксцентриковые), гидравлические и рота-
ционные машины, но наибольшее распростра-
нение получили ротационные.
В зависимости от развиваемого макси-
мального давления таблетирующие машины
можно подразделить на три основные группы:
низкого давления (до 80 МПа): среднего дав-
ления (80... 120 МПа) и высокого давления
(свыше 120 МПа).
Кривошипные машины являются маши-
нами периодического действия, в которых
осуществляется только одностороннее прессо-
вание, без выдержки прессуемого порошка под
давлением. Ввиду того, что в машинах этого
типа осуществляется лишь одностороннее
прессование, спрессованная таблетка имеет
неравномерную плотность, а это сказывается
на ее прочностных и качественных свойствах.
На кривошипных таблетирующих машинах
можно прессовать таблетки диаметром
13... 120 мм при силе прессования 15...400 кН.
Максимальная производительность кривошип-
ных таблетирующих машин сравнительно не-
велика и составляет до 4500 таблеток/ч. В на-
стоящее время выпускаются промышленно-
стью и находятся в эксплуатации кривошипные
машины типа Т, ТМ-1, ТП-1М.
Основным узлом таблетирующей маши-
ны является кривошипно-шатунный механизм,
состоящий из коленчатого вала, шатуна и пол-
зуна с укрепленным на нем верхним пуансо-
ном. Таблетируемый порошок загружают ‘в
бункер машины (рис. 6.157), откуда он по пи-
тателю / поступает в матрицу 2. Дозировка
порошка (рис. 6.157, а) производится положе-
нием нижнего пуансона 4. Прессование осуще-
ствляется верхним пуансоном 3 (рис. 6.157, б),
выталкивание готовых таблеток - нижним пу-
ансоном 4 (рис. 6.157, в).
КПД кривошипных таблетирующих ма-
шин невелик и составляет 0,35...0,6. Эти ма-
шины отличаются простотой конструкции,
быстрой и несложной переналадкой пресс-
инструмента при переходе на другой типораз-
мер таблеток, надежны в эксплуатации, что
позволяет эффективно использовать их в мел-
косерийном производстве или на пищевых
предприятиях небольшой мощности.
Рис. 6.157. Основные технологические операции, выполняемые на кривошипных машинах:
а - дозировка; б - прессование; в - выталкивание таблеток
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ И ФОРМОВАНИЯ
477
Рис. 6.158. Основные операции, выполняемые на гидравлических машинах
Гидравлические таблетирующие машины,
как и кривошипные, являются машинами пе-
риодического действия, однако значительно
превосходят их по производительности и дав-
лению прессования. Гидравлические машины
создают большое давление, что позволяет по-
лучать крупные брикеты диаметром до 0,23 м и
высотой до 0,1 м.
Принцип работы гидравлической прес-
сующей машины заключатся в следующем: в
процессе дозирования (рис. 6.158) неподвиж-
ный 2 и подвижный 5 пуансоны расположены
в нижней части питающего бункера 1 таким
образом, чтобы таблетируемая масса 3 сво-
бодно поступала в зазор между пуансонами.
Дозированная масса поступает в матрицу 4
вследствие перемещения бункера 1 и матрицы
в среднее положение (рис. 6.158, 6). Бункер-
питатель приводится в движение плунжером,
который расположен в гидравлическом ци-
линдре 7. В начале прессования подвижный
пуансон 5 движется под действием плунжера,
расположенного в гидравлическом цилиндре
6 влево (рис. 6.158, в), что обеспечивает уп-
лотнение прессуемой массы в брикет. При
этом матрица находится в свободном состоя-
нии и может быть несколько смещена относи-
тельно неподвижного пуансона 2, чем и дос-
тигается эффект двустороннего прессования.
После окончания прессования матрица 4 и
питающий бункер 1 перемещаются в крайнее
левое, а подвижный пуансон 5 - в крайнее
правое положение (рис. 6.158, г). Готовый
брикет падает в приемный лоток. Конструк-
ция гидравлических машин позволяет осуще-
ствлять подпрессовку, что особенно важно
при производстве брикетов из высокодис-
персных пищевых сыпучих материалов (чай,
пищеконцентраты и т.п.).
В пищевой промышленности широкое
распространение получили ротационные ма-
шины РТМ-16, ТП 40М, РТМ-41, РТМ-12 и
МИ-ЗА ввиду их большой производительности
и непрерывности действия. На этих машинах
все технологические операции процесса табле-
тирования (дозирование, прессование, вытал-
кивание) выполняются одновременно в резуль-
тате действия нескольких комплектов пресс-
инструмента, расположенного по окружности
ротора.
По конструктивным особенностям рота-
ционные машины делятся на два класса:
1) у которых при движении пуансонов по
копирам возникает трение качения;
2) у которых между пуансонами и копи-
рами возникает трение скольжения.
В настоящее время выпускают ротаци-
онные таблетирующие машины одно-, двух-,
трех- и четырехкратного действия, т.е. за
один оборот ротора одним и тем же пресс-
478
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
инструментом формуется одна или несколько
таблеток. На машинах осуществляется дву-
стороннее прессование, что позволяет полу-
чать из прессуемой массы таблетки с наибо-
лее равномерным распределением плотности.
Ротационные машины, используемые
при производстве слоистых таблеток, пред-
ставляют собой сдвоенную ротационную ма-
шину: на одном роторе осуществляется табле-
тирование ядра таблетки двояковыпуклой
формы, а на другом - на таблетку-ядро нано-
сится покрытие - оболочка, причем этот цикл
непрерывный.
Прессы со шнековыми нагнетателями
используются для производства карбамидного
концентрата. Шнек пресса Э-01 имеет конусо-
образную форму при постоянном зазоре между
наружным диаметром и конусом по всей его
длине. Глубина винтового каната уменьшается
к выходному концу шнека.
Пресс-экструдер КМЗ-2 имеет нагнета-
тель, состоящий из пяти цилиндрических шне-
ков: входного, трех средних и выходного. На
внутренней поверхности шнековых корпусов
имеются продольные ребра, обеспечивающие
движение смеси преимущественно вдоль оси
шнека.
Главным рабочим органом пресса
ПЭК-125x8 является шнек, который захватыва-
ет сыпучий материал в зоне загрузки, пласти-
фицирует его в результате термомеханического
эффекта и равномерно подает в виде вязкоте-
кучей массы в головку. В результате обработки
сырье перемешивается, пластифицируется,
уплотняется и из хрупкого порошкообразного
состояния переходит в пластическое. В резуль-
тате выброса вязкотекучей массы из области
высокого давления в головке в область атмо-
сферного давления готовый продукт «взрыва-
ется» с потерей исходной влажности и сниже-
нием температуры, что сопровождается разбу-
ханием струи экструдата.
Шнековые прессы в настоящее время
являются наиболее прогрессивными машина-
ми для извлечения масла из семян различных
культур. К таким машинам относятся фор-
пресс ФП для предварительного отжима мас-
ла перед экстракцией, экспеллер ЕП для
окончательного съема масла. Форпрессовый
агрегат МПЖ-68 и пресс ЕТР-20 пригодны
как для предварительного, так и для оконча-
тельного отжима масла.
6.5.4. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ
ВЫПРЕССОВЫВАНИЯ
Шнековые нагнетатели применяют при
формовании конфетных масс и макаронных
изделий различного профиля, отжатии масла из
маслосемян, бульона из вываренных рыбных
отходов, жира из мясной шквары, нагнетании
мяса под режущий механизм и теста в меха-
низм делительной машины, изготовлении гра-
нул из комбикормов, получение виноградного
сока, формовании дрожжей.
Достоинствами шнековых нагнетателей
являются: непрерывность подачи продукта,
возможность термостатирования продукта и
создания высоких давлений для выпрессовы-
вания, получение однородного состава благо-
даря интенсивному перемешиванию.
Широкое применение шнековых прессов
обусловило разнообразие их конструкций.
Создание новых шнековых прессов осуществ-
ляется, как правило, опытным путем, что свя-
зано с недостаточностью общих теоретических
описаний сложных процессов, происходящих в
каналах витка шнека.
Общепринятая физическая картина тече-
ния жидкостей в канале шнека, описанная в
работах Э. Бернхарда, Д.М. Мак-Келви, Г. Шен-
келя и др. для вязких масс следующая:
1) в канале шнека образуется прямой по-
ток в результате того, что подвижная верхняя
граница прямоугольного канала увлекает за
собой слои жидкости;
2) создаваемое в цилиндре шнека проти-
водавление от формующей матрицы препятст-
вует продвижению жидкости вперед и даже
возвращает часть ее обратно (обратный ток);
3) часть жидкости просачивается через
зазор между Корпусом цилиндра и витком
шнека (утечка);
4) в канале шнека происходит перемеши-
вание.
Согласно данным А.И. Ивановой, А.Х. Ки-
ма, Н.Б. Лембовича [62] и Г.К Бермана приня-
тая при этом схема канала шнека мало соответ-
ствует действительной геометрии шнека, так
как канал шнека винтообразно закручен, и за-
мена канала шнека другими моделями упроща-
ет течение.
Производительность и мощность шнеко-
вого нагнетателя (пресса) зависят от геомет-
рических размеров шнека и корпуса цилиндра,
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ И ФОРМОВАНИЯ
479
реологических свойств перерабатываемых пи-
щевых продуктов, сопротивления формующей
матрицы (выходная головка), частоты враще-
ния шнека. Вместе с тем, давление в формую-
щей матрице (равно ее сопротивлению) зави-
сит от производительности, геометрических
параметров и реологических свойств продук-
тов.
Изменяя частоту вращения шнека, можно
изменять производительность пресса, однако
при этом изменяется и мощность, затрачивае-
мая на привод машины. Мощность расходуется
на преодоление сил вязкого трения продукта,
находящегося в рабочих объемах пресса, и
теряется в виде теплоты. Так как вязкостные
свойства пищевых масс зависят как от условий
деформирования, так и от температуры, стано-
вится очевидной вся сложность взаимосвязей
между всеми технологическими параметрами.
При выпрессовывании на шнековых
прессах разнообразие ассортимента изделий в
значительной степени зависит от смены фор-
мующих матриц, которые представляют собой
профилирующие каналы различной формы.
Так как изменение геометрии формующих
каналов матриц ведет к изменению производи-
тельности, для сохранения последней повы-
шают частоту вращения шнека, что. в свою
очередь, приводит к изменению теплового ре-
жима работы пресса. Поэтому выбор опти-
мального режима, обеспечивающего высокое
качество продукта, является важной практиче-
ской задачей. Решение этой задачи возможно
двумя путями:
1) эмпирический выбор оптимальных па-
раметров пресса, но выбранные режимы соот-
ветствуют только данному типу пресса и кон-
кретному продукту;
2) математическое моделирование, за-
ключающееся в получении расчетных уравне-
ний, связывающих все основные технологиче-
ские параметры пресса и реологические свой-
ства продукта. При этом можно оценить влия-
ние каждого параметра отдельно на работу
пресса, а также осуществить оптимизацию
параметров, не проводя экспериментов.
Для проведения предварительных расче-
тов основных технологических параметров и
количественного анализа влияния различных
факторов на производительность и мощность
широкое распространение получил следующий
упрощенный подход к физической картине
процесса выпрессовывания на прессах со шне-
ковыми нагнетателями.
Представим винтовой канал шнека раз-
вернутым на плоскости (рис. 6.159). Если при-
вести в движение поверхность цилиндра, а
поверхность шнека зафиксировать, то движу-
щаяся поверхность увлечет за собой вязкий
продукт, а неподвижная поверхность витков
шнека будет удерживать его. Направление
движения продукта определяется линией на-
резки шнека и не совпадает с направлением
движения поверхности цилиндра.
В общем виде решение задачи течения
пищевого продукта в канале шнека достигается
совместным решением уравнений: движения,
Рис. 6.159. Винтовой канал шнека (а) и развертка его на плоскости (б)
480
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
неразрывности, сохранения энергии и реологи-
ческого уравнения состояния при соответст-
вующих граничных условиях. В общем случае
решение может быть получено только расчет-
ным путем на ЭВМ.
Однако, если задачу упростить и рассмат-
ривать установившееся, изотермическое дву-
мерное течение, то с учетом сделанных допуще-
ний можно получить исходное дифференциаль-
ное уравнение, описывающее течение пищевых
масс в канале шнекового нагнетателя:
d2vz d2vz 1 др
+ =(6.129)
дх2 ду1 Пэф &
где vz ~ компонента скорости по оси z \
Г|эф- эффективная динамическая вязкость
пищевого материала; dp/dz - градиент дав-
ления по оси z .
Решение уравнения (6.129) при следую-
щих граничных условиях
у - 0, vz - 0; у = Н, vz - v cos ф;
х = 0,х = W;vz = 0
имеет вид:
.(типу)
00 sh —- z ч
4v 1 I IF ) . (птх\ 1 др
vz =---- >------------Г------^-Sin ---- +--------— X
л w ui ™пН ) I IV J тъ,ь dz
ю=1,3,5,... sh ------ ЭФ
\ W )
. (2x-W\
у2 Ну 4Н2 у 1 L I 2Н Л
2 2 + я3 tTc w3
n m=l,3,5,...m ch ------
< 2H )
(6.130)
где H и W - соответственно глубина и шири-
на канала шнека; V - скорость движения верх-
ней стенки: ф - средний угол подъема винто-
вой линии.
Первое слагаемое в уравнении (6.130) ха-
рактеризует скорость вырожденного потока,
т.е. скорость потока, возникающего за счет сил
вязкого трения при увлечении продукта дви-
жущейся верхней плоскостью цилиндра. Вто-
рое слагаемое характеризует распределение
скоростей в .потоке, вызванное градиентом
давлений по оси канала шнека.
Производительность шнекового пресса:
HW
Q=jfv.,dxcfy. (6.131)
О о
где i - число заходов шнека; Fj и Fp- коэф-
фициенты формы, учитывающие влияние со-
отношения H/W :
16Ж у 1 Гл/и^/И7)
mil,... L 2
пт
2H/W
(6.133)
После подстановки в уравнение (6.131)
значения скорости vz из уравнения (6.130) и
интегрирования получим
Q =
iVWH
2
Fd~
iWH3 др
12т]эф dz
Fp, (6.132)
Первый член правой части уравнения
(6.132) характеризует прямой поток (объемный
расход, вызванный движением верхней под-
вижной плоскости цилиндра), второй - обрат-
ный поток под действием градиента давления.
Выразим геометрические размеры IV,
dz следующим образом:
W = (///-е)со8ф;
J dL
dz =----,
sin9
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ И ФОРМОВАНИЯ
481
где t - шаг шнека; е - толщина витка шнека;
dL - элемент длины канала шнека.
При этом градиент давления dp/dz за-
пишем в виде:
— = —sin <р ® ^max sin ф,
dz dL L
где ртах - максимальное давление в фор-
мующей матрице.
Поставив в уравнение (6.132) значения
величин, получим расчетную формулу для
определения объемной производительности
пресса со шнековым нагнетателем:
Q — QLnFtf Ртах Fp ’ (6« 1 34)
Пэф
где
а = O,57i£>(//f-e)cos2 фН(;
х „3 (6.135)
ц0-е)со8ф// 7
12А ’
Анализ уравнения (6.134) показывает,
что изменение производительности Q в пря-
мой, пропорциональной частоте вращения
зависимости, не происходит из-за влияния
давления ртах, которое уменьшает значе-
ние Q.
Входящие в уравнение (6.134) коэффици-
енты формы Fj и Fp зависят от отношения
Н/W (глубины и ширины канала). Это позво-
ляет затабулировать значения Fj и Fp в за-
висимости от отношения Н/W. На рис. 6.160
представлены графики для определения коэф-
фициентов Fj и Fp .
Следовательно, если известны геометри-
ческие параметры шнекового пресса, то можно
по уравнению (6.133) или рис. 6.160 опреде-
лить Fj и Fp а затем по уравнению (6.135) -
величины а и Р . При подстановке найденных
значений в уравнение (6.134) можно рассчи-
тать объемный расход (производительность)
шнекового пресса.
0,60,81,0 1,2 $4 1,61,8 2,0 H/W
Рис. 6.160. Графические зависимости для
определения коэффициентов формы Fd и FP
Полученное уравнение характеризует
эффективную динамическую вязкость продук-
та, которая находится по кривым течения (за-
висимости касательного напряжения т от ско-
рости сдвига х для данных условий деформи-
рования. В приведенных расчетах Лэф прини-
малась постоянной величиной, что справедли-
во лишь для продуктов, реологическое уравне-
ние состояния которых соответствует ньюто-
новским средам.
Уравнение (6.134) позволяет не только
проанализировать влияние отдельных пара-
метров на объемный расход Q, но и количест-
венно оценить эту величину.
Сопротивление формующих матриц.
Формы и размеры поперечного сечения фор-
мующих каналов матриц определяются формой
поперечных сечений полуфабриката (для кон-
фетных масс - круглой, прямоугольной, квад-
ратной, конической и т.д.). При выпрессовыва-
нии полуфабриката через формующие каналы
матриц необходимо преодолеть сопротивле-
ние, возникающее при действии сил трения о
поверхность каналов.
В общем случае зависимость между объ-
емным расходом формующих каналов матриц
и давлением, необходимым для преодоления
сопротивления каналов, можно представить в
виде:
Q = Кг Др/т]эф , (6.136)
где Kv - геометрический параметр.
Таким образом, для определения потерь
давления Др при известном расходе Q доста-
16 — 8434
482
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
точно иметь значения геометрического пара-
метра Кг и эффективной вязкости Г|эф.
Для упрощения рассмотрим случай, когда
Пэф = const, что соответствует ньютоновской
реологической модели сред. В этом случае для
круглого канала геометрический параметр
к
r(u) 128/, ’
где d и L- соответственно диаметр и длина
канала.
Для конического канала
_ 3nD3t/3
^г(кон) ~ ?
\2KL\D1 + Dd + d1)
где D , d - диаметры канала на входе и выхо-
де.
Для кольцевого канала
^г(кол) ~ 71 (^н + )(^н — ,
где /?н, /?в - соответственно наружный и
внутренний радиусы канала.
Для щелевого канала
К ~^-F
^г(щ)
где b, h - соответственно ширина и высота
Рис. 6.161. Рабочая характеристика
шнекового нагнетателя
Гф=1-
1002/z I ЛптЬЛ
—Z— У —th ---------- .
Для канала произвольного сечения
*г=—Г-
2/7 L
где F, П - соответственно площадь и пери-
метр живого сечения канала.
Рабочая характеристика шнекового
пресса. Уравнение (6.134) характеризует рабо-
тоспособность пресса. При ртах = 0 произво-
дительность пресса максимальная, при Q - О
(матрица закрыта) имеет место давление
Апах • Поэтому графическая зависимость Q
от р характеризует в полном объеме работо-
способность шнекового нагнетателя. На
рис. 6.161 показана зависимость характеристик
шнекового нагнетателя от частоты вращения
шнека (рабочая характеристика). Аналогичная
зависимость может быть показана для фор-
мующей матрицы. Согласно уравнению (6.136)
вид зависимости Q от р определяется кон-
стантами КГ.
Точка пересечения характеристики мат-
рицы и нагнетателя отвечает рабочему состоя-
нию пресса. На рис. 6.161 на зависимости на-
гнетателя «j, «2 , ’ п4 наложены зависимости
для матрицы j), /Сг(2), , КГ^ .
Если при частоте вращения /7| на прессе
установлена матрица с характеристикой К,
то производительность при этом отвечает ра-
бочему состоянию точки A^Qa'Pa}- При
установке новой матрицы с характеристикой
Л^Г(2) при той же частоте вращения шнека /7|
производительность упадет до Qq (точка В),
при этом сопротивление матрицы будет .
Чтобы сохранить заданную производи-
тельность Qj. необходимо повысить частоту
вращения шнека с щ до (точка С).
Мощность, затрачиваемая на преодоле-
ние сил вязкого трения в канале шнека и в за-
зоре f ,
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ И ФОРМОВАНИЯ
483
л3£)3и2г|эфА anFd
N — ~ 1 2 ^тах +
п COS ф
2 2 2
и D п г|эфв£
/tgq>
В настоящее время разработаны различ-
ные подходы к моделированию процессов вы-
прессовывания на шнековых прессах. В прак-
тических целях можно рекомендовать сле-
дующее:
для ориентировочных расчетов - одно-
мерную модель течения в условном плоскопа-
раллельном канале;
для учета процесса перемешивания в кана-
ле шнека и тепломассообменных процессов -
двумерные модели течения в прямой горизон-
тальной трубе с верхней подвижной стенкой;
для выбора оптимальных параметров
шнекового пресса, а также оптимизации про-
цесса выпрессовывания и управления им -
модельное описание с использованием винто-
вых координат.
Двухшнековые нагнетатели. Наименее
изученными в теоретическом отношении яв-
ляются двухшнековые прессы, в которых фи-
зическая картина деформации и течения между
шнеками при наличии многих зазоров весьма
сложная.
Первую попытку дать расчетные зависи-
мости для определения производительности
двухшнекового пресса предпринял Г. Шенкель
[15], который предложил условно рассматри-
вать течение в секциях, на которые разбиты
каналы одного шнека, витками сопряженных
витков другого шнека. Анализ течения различ-
ных аномально-вязких сред в двухшнековом
прессе дан в работах [18-19].
Как показано в работе [19], выпрессовы-
вание вязких сред на прессах с несколькими
шнековыми нагнетателями связано с тем, что
одношнековые нагнетатели имеют определен-
ные недостатки: создание высоких давлений
приводит к уменьшению объемного расхода
(производительности); эффективность пере-
мешивания, гомогенизация материалов и мас-
сопередача незначительны.
Достоинством многошнековых нагнета-
телей является хороший, независимый от
свойств продукта его захват в зоне питания,
принудительное перемешивание продукта к
формующим фильерам матрицы, взаимная
самоочистка шнеков.
Двухшнековые нагнетатели могут вра-
щаться в одном или противоположных направ-
лениях. При этом шнеки могут не находиться в
зацеплении, находиться в нем частично или
полностью.
Принципиальным отличием двухшнеко-
вого нагнетателя от одношнекового является
то, что в нем давление создается за счет выжи-
мающего действия витка сопряженного шнека.
При этом если давление в одношнековом на-
гнетателе, создаваемое за счет относительного
движения шнека в корпусе цилиндра, прямо
пропорционально //3 (//-глубина канала), то
в двухшнековом оно зависит от степени замк-
нутости винтового канала.
В одношнековом нагнетателе частицы
продукта, находящиеся в винтовом канале,
перемещаются непрерывно по винтовой траек-
тории вдоль оси к выходному отверстию, а в
нагнетателе с двухшнековым зацеплением час-
тицы продукта, находящиеся в замкнутых
С-образных секциях, продвигаются к выход-
ному отверстию вследствие передавливания
продукта из одного замкнутого объема в дру-
гой, при этом характер течения продукта в
каждой секции одинаковый.
На характер течения продукта в
С-образных секциях оказывает влияние обрат-
ный поток продукта, вызванный наличием в
реальных конструкциях зазоров между внутрен-
ней поверхностью канала витка шнека и сопря-
гаемой с нею наружной поверхностью витка
другого шнека /в, а также между боковыми
поверхностями витков шнеков fa (рис. 6.162).
Рис. 6.162. Схема зацепления двух шнеков
16*
484
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Возникновение утечек через зазоры приводит,
с одной стороны, к уменьшению общей произ-
водительности, а с другой - к повышению ин-
тенсивности перемешивания и степени гомоге-
низации продукта в винтовых каналах нагнета-
теля.
В результате обширных исследований ха-
рактера течения вязких сред в зазорах двух-
шнекового нагнетателя экспериментально оп-
ределены законы распределения скоростей и
давлений в зазорах и предложены расчетные
зависимости для определения утечек [52-54].
Получены расчетные зависимости для опреде-
ления производительности пресса с двухшне-
ковым нагнетателем при встречном потоке,
однако они слишком громоздки, поэтому
большой практический интерес представляют
эмпирические зависимости для расчета произ-
водительности и мощности, установленные на
основании результатов статистической обра-
ботки показателей технических характеристик
двухшнековых нагнетателей (экструдеров),
выпускаемых разными странами [64]. Объем-
ный расход (производительность) пресса с
двухшнековым нагнетателем:
е = 3,6410“2£)2.
Мощность привода
W =5,25-10-3 (D)1’84,
где D - наружный диаметр шнека.
Валковые нагнетатели. Валковые на-
гнетатели нашли широкое применение при
формовании тестовых заготовок, конфетных
масс, бисквита и т.д. Они позволяют осуществ-
лять равномерное выдавливание массы по всей
ширине матрицы, при этом обеспечивается
высокая производительность и почти полное
сохранение структуры.
Принцип работы валковых машин заклю-
чается в том, что формуемая масса поступает
на вращающиеся навстречу друг другу валки.
В результате трения и адгезии масса затягива-
ется в зазор между валками и выдавливается в
виде ленты определенной ширины и толщины.
Процесс нагнетания валками может быть двух
видов: без противодавления при непрерывном
формовании пласта большой ширины и с про-
тиводавлением при формовании бесконечных
жгутов через матрицу.
Сложность явлений, происходящих при
деформации перерабатываемого материала в
зазоре между валками, и их недостаточная
теоретическая изученность затрудняют расчет
производительности и потребляемой мощно-
сти. Поэтому в целях упрощения вводятся раз-
личные допущения. Одним из них является
предположение о том, что формуемый матери-
ал является твердым телом. В этом случае про-
цесс формования рассматривается с точки зре-
ния теории пластической деформации. Другим -
это рассмотрение процесса движения материа-
ла в зазоре между валками как процесса тече-
ния вязкой ньютоновской жидкости. Третьим -
попытка использования уравнения Оствальда
де Виля (степенной закон) для расчета процес-
сов формования.
Процесс формования выпрессовыванием
на прессах с валковыми нагнетателями осуще-
ствляется в результате затягивания продукта в
зазор между вращающимися навстречу друг
другу валками (рис. 6.163). Основное воздейст-
вие на продукт со стороны вращающихся вал-
ков осуществляется в области деформации, т.е.
в пространстве, ограниченном дугами поверх-
ности валков АВ и СВ. При этом с области
деформации на продукт действуют силы, вы-
зывающие сдвиг, растяжение и сжатие. Для
обеспечения затягивания продукта в межвал-
ковый зазор необходимо выполнение обяза-
тельного условия: угол захвата оц должен
быть меньше угла трения ф продукта о по-
верхность валка.
Многочисленные экспериментальные ис-
следования, выполненные в различных отрас-
лях промышленности по выпрессовыванию
разнообразных материалов на валковых прес-
сах, показали, что в области деформации мож-
но выделить две зоны: отставания и опереже-
ния:
зона отставания АА2С2С ;
зона опережения A2C2DB.
Особенностью зоны отставания является
то, что скорость частиц продукта по мере уда-
ления от поверхности валков к центральной
оси симметрии Ох постепенно уменьшается
(см. эпюру скоростей), а затем на некотором
расстоянии от минимального межвалкового
зазора меняет направление на противополож-
ное, что приводит к возникновению противо-
потока продукта (вращающегося запаса).
С области нейтрального сечения Д|С|
формируется общий поток, направленный в
сторону вращения валков со скоростью, равной
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ И ФОРМОВАНИЯ
485
Рис. 6.163. Схема валкового нагнетателя
окружной скорости валков. Причем положение
нейтрального сечения зависит от свойств фор-
муемого продукта, геометрических и кинема-
тических параметров валков.
Характерной особенностью зоны опере-
жения является то, что частицы продукта, на-
ходящиеся в средней части, имеют более высо-
кие значения скорости по сравнению с окруж-
ной скоростью валков (сечение XqXq ). На вы-
ходе из области деформации (сечение BD)
скорости частиц потока по всему фронту прак-
тически равны окружной скорости валков.
Такое изменение эпюры скоростей частиц
продукта по мере его прохождения области
деформации связано с тем, что в области де-
формации существенно изменяется давление.
Если в сечении Х2Х2 (область входа) давление
равно атмосферному (без учета давления от
собственной массы), то в дальнейшем давление
начинает возрастать и достигает своего макси-
мального значения в сечении XjXj, а затем
уменьшается до атмосферного давления в се-
чении - Х2 - Х2 (область выхода), градиент
давления меняет свои знак.
Для рационального проектирования и из-
готовления высокоэффективных валковых
нагнетателей необходимо знание основных
закономерностей процесса деформирования
различных в реологическом отношении пище-
вых масс в межвалковом зазоре нагнетателей.
Так, при рассмотрении процесса дефор-
мирования пищевых масс в межвалковом зазо-
ре нагнетателя можно использовать изотерми-
ческое приближение, так как скорости сдвига в
зазоре сравнительно невелики, что не вызывает
существенного увеличения температуры про-
дукта при прохождении его через межвалко-
вый зазор.
С учетом ламинарного установившегося
изотермического течения неньютоновской
жидкости
дт др др
— = —; — = 0; (6.137)
ду дх ду
дих
ду
(6.138)
где др/дх, др/ду - градиенты давлений; т-
касательное напряжение; К , тп - реологиче-
ские константы; их - компонента скорости по
оси х.
Уравнения (6.137), (6.138) записаны на
основании условий плоскопараллельного тече-
ния, т.е. без учета кривизны валков.
Их решение при граничных условиях
у = 0 , dvx /ду = 0 (условие симметрии),
у = h, vx - и (условие прилипания) позволя-
ет определить распределение скоростей в зазо-
ре, расход продукта через межвалковый зазор,
напряжение сдвига в любой точке области де-
формации, давление и потребляемую мощ-
ность.
486
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Распределение скоростей определяется
зависимостью
Г 1 \Vm
т ( I ср у
т +11 К дх)
где h - ‘Л переменной ширины зазора.
Расход
h
Q-l^ vxdy = 2lx
-h
r 1 \i/w ,
m ( 1 dp j ^(2w+l)/w
2m +1 vК дх)
где /- длина валка; р = K(u/h$)m ^2R/h$ х
х(1,09 + 1,08/и + 0,35/и2).
Напряжение сдвига на поверхности вал-
ков, необходимое для расчета крутящего мо-
мента и мощности,
г = (Ь-^и1^+1т .
\ т )
В этом случае мощность, необходимая
для преодоления сил сопротивления деформа-
ции,
W = 2luK(u/hQ)"” ^2Л/ц,Ф(/я).
Для инженерных целей функция Ф(/и)
может быть представлена в виде [20]:
Ф (м) = 4,67 + 8,06>и - 4,09>и2.
Шестеренные нагнетатели. Основными
рабочими органами шестеренного нагнетателя
являются прямозубые или спиральные зацеп-
ляющиеся между собой шестерни, которые
вращаются в неподвижном корпусе. Принцип
действия шестеренного нагнетателя заключа-
ется в том, что на входе продукт поступает в
полости, образованные расходящимися смеж-
ными зубьями шестерен. При вращении шесте-
рен продукт перемешается из зоны входа в
зону выхода и вытесняется из впадин входя-
щими в зацепление выступами зубьев другой
шестерни. При переходе из зоны входа в зону
выхода продукт находится в защемленном
объеме между смежными зубьями и корпусом.
Входная и выходная зоны нагнетателя
отделены друг от друга вследствие перекрытия
зубьев. Выбор профиля зубьев - чрезвычайно
важный фактор. В прямозубых шестернях,
например, наибольшая утечка возникает в тор-
цовых и радиальных зазорах между шестерня-
ми и корпусом нагнетателя. Их работа характе-
ризуется чрезмерным шумом и интенсивным
изнашиванием.
Наибольшее распространение в шесте-
ренных нагнетателях получили шестерни с
эвольвентным профилем зуба, преимущество
которых заключается в том, что эвольвентная
кривая позволяет просто и точно получать
профили зубьев в процессе их нарезания на
зуборезных станках реечными инструментами
с прямолинейными режущими кромками.
Прочность зубьев с эвольвентным профилем
выше чем с циклоидальным.
При работе шестеренного нагнетателя на
выходе возникают колебания как давления, так
и объемного расхода, что приводит к возник-
новению пульсации потока. На практике суще-
ствует несколько способов уменьшения пуль-
сации потока. Казалось бы, что одним из спо-
собов уменьшения пульсации могло бы быть
увеличение числа зубьев шестерен и уменьше-
ние модуля. Однако производительность на-
гнетателя пропорциональна квадрату модуля и
числу зубьев. Поэтому с целью уменьшения
габаритных размеров нагнетателя целесооб-
разнее применять шестерни с малым числом
зубьев и большими модулями. Следовательно,
возникает задача выбора оптимального соот-
ношения числа зубьев и модуля.
Следует отметить, что при нормальном
эвольвентном профиле минимальное число
зубьев равно 14, хотя на практике в результате
определенных технологических приемов число
зубьев удается уменьшить.
Пульсация потока может быть снижена
применением косозубой передачи с достаточно
большим углом наклона зубьев.
Один из наиболее действенных способов
снижения пульсации потока связан с выбором
оптимальных размеров предматричной камеры,
играющей роль ресивера при нагнетании в нее
продукта.
У шестеренных нагнетателей подача про-
дукта в зону входа только под действием силы
тяжести возможна лишь для маловязких сред.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ И ФОРМОВАНИЯ
487
Для высоковязких сред необходимо примене-
ние принудительной подачи. Кроме того, при
зацеплении зубьев образуется защемленный
объем, в котором резко возрастает давление.
Это приводит к возникновению сил, стремя-
щихся раздвинуть шестерни, что ускоряет их
износ. Увеличение давления в защемленном
объеме приводит к возрастанию утечек в тор-
цовых и радиальных зазорах.
Теоретический объемный расход шесте-
ренных нагнетателей зависит от геометриче-
ских размеров объема впадин и выступов зубь-
ев шестерен. Действительная подача меньше
теоретической, так как в торцовых и радиаль-
ных зазорах возникают утечки продукта. В
идеальном случае теоретическая объемная
подача не зависит от реологических свойств
продуктов, так как определяется только объе-
мом впадин и выступов. В реальных условиях
возникновение утечек в зазорах, безусловно,
зависит от свойств выпрессовываемого про-
дукта.
Результаты многочисленных эксперимен-
тальных исследований показали, что с доста-
точной степенью точности производительность
нагнетателя с парой шестеренных роторов и
эвольвентным профилем зубьев (в л/мин) мож-
но определить по формуле, предложенной
Е.М. Юдиным
„ , ( . ,r COS2 ап
Qj = 2nbntn3 z +1 - Кп------—-----
1(Г6
где b ширина шестерни, мм; п- частота
вращения, мин1; т - модуль зубьев; z - число
зубьев одной шестерни; Кп - коэффициент,
зависящий от степени перекрытия е, характе-
ризующий число зубьев, одновременно нахо-
2
дящихся в зацеплении; Кп~4-б8 4-3е ;
ад - угол зацепления.
Однако действительная производитель-
ность Q меньше Qv на величину утечек в
радиальных и торцовых зазорах.
Обозначим через /Соп отношение
Q/Qy . Этот коэффициент зависит от утечек в
зазорах. Утечки, в свою очередь, зависят от
частоты вращения шестерен. Эту зависимость
можно представить в виде:
Коп « 0,8 + 0,017п-0,0009л2 .
Мощность, развиваемая на приводном
валу шестеренного нагнетателя,
= N\ + N2 + N3 + ^хол •
где - мощность, необходимая для преодо-
ления сопротивления продукта и передачи
массе продукта кинетической энергии; /V2_
мощность, необходимая для преодоления вяз-
кого трения в торцевых зазорах; N3- мощ-
ность, необходимая для преодоления вязкого
трения в радиальных зазорах; NXOJ1 - мощ-
ность холостого хода.
Величина
W| = 2р/?Лш(о2 (- т3 )2 х
2 t f’
где р - плотность продукта; /?ш - высота зубь-
ев; (0— угловая скорость шестерни; /?ш- на-
ружный радиус шестерни; т3 модуль зубьев;
£,ш коэффициент гидродинамического со-
противления зубьев шестерни; t - время,
t = 1 с; z - число зубьев.
Для определения мощности, необходи-
мой для преодоления вязкого трения в торцо-
вых зазорах шестеренного нагнетателя, необ-
ходимо рассмотреть процесс течения вязкой
жидкости в торцовом зазоре, образованном
между наружной торцовой поверхностью шес-
терни и внутренней поверхностью корпуса.
Обозначим: /?ш- наружный радиус шестерни,
/?ц- радиус цапфы, 8Т- ширина торцового
зазора (рис. 6.164).
В цилиндрической системе координат
г, ф, z начало координат совместим с центром
шестерни, а ось z направим вдоль оси враще-
ния. Так как величина торцового зазора
5Т /?ш , осевой vz и радиальной vr со-
ставляющими скорости можно пренебречь по
сравнению с окружной скоростью цр.
При этом окружную скорость определим
в виде функции
488
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Рис. 6.164. Схема шестеренного нагнетателя
с шестернями 1 и 2
С учетом сделанных допущений диффе-
ренциальное уравнение движения в торцовом
зазоре неньютоновской среды, подчиняющейся
«степенному» закону течения, примет вид [21]:
/(г)Г/(г)р,=1 ’
V 'L-7 V Л К ^т-\ Эф
(6.139)
где cjp/ckp - градиент давления.
При этом выполняются следующие гра-
ничные условия:
z = 0; /(z) = w; z = 5T; /(z) = 0.
(6.140)
Решение дифференциального уравнения
(6.139) при граничных условиях (6.140) позво-
ляет определить закон распределения окруж-
ной скорости цр:
/1 /х \ । др 1 ( 2 «.
Цг> = - z/6T ) +---------z -zoT ;
Ф ' т' 2Пэф ЭфМ TJ
Пэф = Ar[/'(z)]"' '•
Момент сил вязкого сопротивления в че-
тырех торцовых зазорах [1]
Мг=8пК — х
1м
X
р/и+З r>w+3 г»2 о /
-Ац WOj ФI п2 р2
~ + л
ш + 3 4г|эф(оор<
(6.141)
Если т - 1 (ньююновская среда), то из
уравнения (6.141) как частный случай можно
определить момент сил вязкого сопротивления
в торцовых зазорах при выпрессовывании пи-
щевых масс, относящихся к ньютоновским
средам.
Мощность, развиваемая в торцовых зазо-
рах, определится следующим уравнением:
^2 “ ^та) •
Определим мощность /V3, необходимую
для преодоления вязкого трения в радиальном
зазоре шестеренного нагнетателя. Обозначим:
8р- величина радиального зазора, образован-
ного между корпусом нагнетателя и поверхно-
стью головок зубьев шестерен, RK - внутрен-
ний радиус корпуса нагнетателя, /?ш - наруж-
ный радиус шестерни.
В цилиндрической системе координат
г,ф, z ось z направим вдоль оси шестерни.
Учитывая, что течение в радиальном зазоре
круговое, и принимая во внимание условие
8р /?ш , считаем, что осевая vz и радиаль-
ной vr компоненты скорости значительно
меньше окружной компоненты скорости .
С учетом сделанных допущений, осевой
симметрии и незначительного перепада давле-
ний по длине одного зуба, дифференциальное
уравнение, описывающее течение неньютонов-
ских «степенных» сред в радиальном зазоре,
можно записать в следующем виде:
! 1 Г2-отШр
dr2 г V т ) дг
ш /г2
(6.142)
Решение уравнения (6.142) при условии
г ’ Цр ’ г ’ Цр 0
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ И ФОРМОВАНИЯ
489
имеет вид
Цр
or
Сила вязкого трения, возникающая на
участке, равном длине головки одного зуба
F =Z^T,
н Z
где z - число зубьев; b - ширина шестерни;
т - касательное напряжение.
Момент сил вязкого трения, возникаю-
щий в радиальном зазоре двух шестерен,
2
Л/рд = ^^-z\bK х
р z
_ / \-2/w
(о j 2-/л кш
ч*ш/ЯкГ2/4 w ЬJ j
(6.143)
где Zj - число зубьев шестерен, находящихся в
зацеплении.
Мощность, необходимая для преодоления
сил вязкого сопротивления,
TVa = Л/П(О,
j н
где Л/р определяется уравнением (6.143).
Пластинчатые нагнетатели работают
по принципу пластинчатых насосов, называе-
мых лопастными или шиберными.
В пластинчатом нагнетателе продукт по-
ступает в область входа /, где захватывается
вращающимися пластинами 2 и передвигается
в область выхода 3 (рис. 6.165). Пластины 2
находятся в прорезях ротора 4, центр которого
смещен относительно центра корпуса 5 нагне-
тателя на величину эксцентриситета е. Нали-
чие эксцентриситета приводит к тому, что при
вращении ротора 4 пластины 2, свободно пе-
ремещающиеся в прорезях ротора, изменяют
свою рабочую высоту от максимального зна-
чения, равного удвоенному эксцентриситету,
до нуля.
Пластинчатым нагнетателем можно фор-
мовать пищевые продукты любой вязкости и
разной дисперсности. При этом механическое
Рис. 6.166. Зависимость объемного расхода Q
от угла поворота ротора а
воздействие, приводящее к разрушению струк-
туры продукта, минимальное. К недостатку
пластинчатых нагнетателей можно отнести то,
что смешение центра ротора относительно
корпуса приводит к возникновению пульси-
рующей подачи, при которой изменение объе-
ма в процессе вытеснения продукта одной пла-
стиной носит гармонический характер
(рис. 6.166). С целью снижения пульсации по-
дачи увеличивают число пластин в роторе, но
это приводит к уменьшению объемной подачи,
что наглядно видно из формулы (6.143).
Теоретическую производительность на-
гнетателя принято определять по формуле
124]:
2Т = Bhn(nD - К ft), (6.144)
490
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
где В - ширина пластины; h - высота пласти-
ны; п - частота вращения ротора, мин’1; D -
внутренний диаметр корпуса нагнетателя; К, -
число пластин; 8 - толщина пластины.
Однако выражение (6.144) не учитывает
того, что высота пластины h, равная при сво-
ем максимальном значении удвоенному экс-
центриситету, в действительности является
переменной:
h = 2ecosa/2,
где a - переменный уголь поворота ротора.
Теоретическая производительность на-
гнетателя
180
£т=2| 2ecos— + ecosa/2)<7a =
0 2
। Tie 1
= 8еВсо /?п +— ,
I Р 8 )
где /?р - радиус ротора.
Мощность, необходимая для преодоления
сил сопротивления при перемещении продукта
в результате вращения пластин,
N = KtRxrm9 (6.145)
где Kj - число пластин; Rx- общая сила гид-
родинамического сопротивления; г - текущий
радиус центра пластины; г = /?р + ecosa/2 .
Общая сила гидродинамического сопро-
тивления определяется суммой лобового и
инерционного сопротивления (последнее равно
произведению присоединенной массы к на
ускорение):
2 2
Rx =^h Z?2ecosa/2 + X—(сог);
2 dt
(6.146)
к = 7rpB(2ecosa/2)2 , (6.147)
где - коэффициент лобового сопротивления
пластины.
Преобразование уравнений (6.145)-
(6.147) дает окончательное выражение для
расчета мощности пластинчатого нагнетателя:
N = А.со Rn + ecos —
1 р о
л 2 « п С 2 • a
+ 4лре cos — В — со sin— .
2 2 2
6.5.5. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ
ФОРМООБРАЗОВАНИЯ
Процесс формования штучных изделий
выдавливанием вязкопластичной массы через
профилирующие насадки на приемную по-
верхность при циклическом взаимодействии
рабочих органов принято называть процессом
отсадки.
Устройства и машина для отсадки от-
дельных корпусов состоят из камеры, в кото-
рую загружается формуемая масса, механизма
выпрессовывания массы из камеры (нагнетате-
ля), предматричной камеры со сменной матри-
цей, включающей одну или несколько парал-
лельных профилирующих насадок, приемной
поверхности в виде конвейера или подъемно-
опускного столика, расположенных под фор-
мующими органами, механизма резки или от-
секателя массы.
В зависимости от свойств перерабаты-
ваемого продукта и вида получаемых изделий
машины для отсадки отличаются большим
многообразием конструктивных форм. Не-
смотря на то, что отсадочные машины выпус-
кают штучную продукцию, их можно отнести к
машинам непрерывно-поточного производства,
так как они могут обеспечить равномерно дви-
жущийся поток изделий.
Формовать отсадкой можно пищевые
массы, обладающие так называемой формо-
удерживающей способностью: конфетные мас-
сы, зефир, тестовые заготовки, отдельные виды
шоколадных изделий. Отсадкой производят
декорирование изделий различными пищевы-
ми продуктами.
При конструировании отсадочных машин
необходимо увязывать свойства масс с особен-
ностями формы получаемых изделий. Чтобы
получить изделия заданной формы и качества,
конструкторы и специалисты по организации
производства должны учитывать агрегатное
состояние и специфические свойства формуе-
мой массы и изделий из нее, вид оборудования
и технологический режим процесса отсадки.
Ввиду разнообразного ассортимента отсадных
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ И ФОРМОВАНИЯ
491
изделий возникают трудности кинематическо-
го синтеза элементов отсадочных машин, не-
обходимых для формования сложных изделий.
В отсадочных машинах дозирование
осуществляется по объемному принципу, осно-
ванному на переносе формуемого продукта из
пространства впуска в пространство нагнета-
ния.
В отсадочных машинах находят приме-
нение почти все известные типы нагнетатель-
ных устройств (поршневые, шнековые, валко-
вые, шестеренные, шиберные и др.), а также
разнообразные по конструкции, форме и раз-
мерам формующие головки.
Отсадочные машины. Их можно клас-
сифицировать по следующим признакам: типу
нагнетательного органа, характеру движения
нагнетательного органа, воздействию рабочих
органов машины на формуемый продукт, по
способу отделения порции массы.
Отсадочные машины классифицируют
следующим образом:
по типу нагнетательных органов - плун-
жерные, шнековые, валковые, шиберные, шес-
теренно-роторные;
по виду движения нагнетательных орга-
нов - с цикличным и нагнетательным движе-
нием;
по характеру сжатия массы в пред мат-
ричной камере - с однократным (без буферно-
го объема), с многократным (с буферным объ-
емом), с постоянным (установившийся режим);
по изменению напряжений в массе во
время отсадки - без снятия напряжений, с цик-
лическим снятием напряжений;
по способу отделения конфетного корпу-
са - с золотниковым отсекателем порции мас-
сы, с разрывом жгута, с режущим устройством.
Основным признаком, которым опреде-
ляется конструкция и область применения ма-
шины, является тип нагнетательного органа. От
него зависят характеристики машины, точность
ее работы, вид деформации формуемой массы.
Решение кинематической схемы, конст-
рукция исполнительных и передаточных орга-
нов машин зависят от характера движения на-
гнетательных органов, поэтому отсадочные
машины предлагается подразделять на два
вида: с циклическим и непрерывным движени-
ем нагнетательных органов.
Характер движения нагнетательных орга-
нов еще не определяет их воздействия на фор-
муемую массу. Работу отсадочных машин сле-
дует рассматривать также с точки зрения де-
формации всестороннего сжатия, возникающей
в каналах и полостях машин. Деформация воз-
никает главным образом в предматричной ка-
мере, так как за время пребывания в ней и в
профилирующих насадках масса может под-
вергаться циклическому однократному или,
при наличии буферного объема, многократно-
му сжатию. Возможно также непрерывное те-
чение массы с практически постоянным на-
пряжением.
При многократном сжатии массы воз-
можны два режима работы: без принудитель-
ного снятия напряжения между циклами (в
этом случае напряжение в массе уменьшается
только за счет протекающих процессов релак-
сации или, если формующие насадки не пере-
крыты, за счет подтекания массы) и с принуди-
тельным снятием напряжения в результате
увеличения объема предматричной камеры.
В зависимости от консистенции формуе-
мой массы и вида получаемых изделий в отса-
дочных машинах по-разному решается опера-
ция отделения порции массы и окончательного
формирования из нее корпуса изделия. Для
конфетных масс с хорошей текучестью приме-
няют заслонки, перекрывающие отверстия в
насадках. Для пластических масс возможны
отрезка корпусов от выдавливаемого жгута или
разрыв его в месте наибольшей концентрации
напряжений.
Поршневой тип нагнетателя состоит из
камеры и помещенного в ней поршня, совер-
шающего периодическое движение в одном
направлении или возвратно-поступательное.
Формуемый продукт загружается в камеру и
при движении поршня выталкивается через
насадки, расположенные в камере.
При производстве конфет куполообраз-
ной формы типа «Трюфели», «Красная», «Сли-
вочная помадка» на ряде предприятий приме-
няют прессы с ручным приводом (рис. 6.167).
Приготовленная масса загружается в камеру 6
ручным штурвалом 5 при помощи винтовой
пары 7, плунжер 3 доводится до соприкоснове-
ния с массой. В это время столик 9 с закреп-
ленными на нем прижимами 8 лотком 7 касает-
ся фильер 2. Поворачивая штурвал дальше,
производится давление на массу, при одновре-
менном нажатии на педаль 10 столик 9 отходит
от фильер 2. В этот момент начинается отсадка
конфет на лоток 7. Затем давление снимается
(штурвал немного поворачивается в противо-
положную сторону) резким нажимом на педаль
10, конфеты отрываются. Лоток 7 с отсажен-
ными конфетами снимается со столика 9. На
492
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Рис. 6.167. Отсадочный пресс с ручным приводом
столик ставится новый лоток. Опускается пе-
даль 10, и противовес 1 возвращает столик с
лотком в исходное положение.
По схеме поршневого ручного пресса, но
с пневмоприводом, работает отсадочная маши-
на для тестовых заготовок при выпечке круг-
лых булочек [60]. Машина состоит из герме-
тичного бункера, имеющего связанную с двумя
пневмоцилиндрами подвижную верхнюю
крышку. В нижней части бункера имеются
цилиндрические насадки, которые закрывают-
ся и открываются периодически при помощи
подвижной заслонки, приводимой в движение
от пневмоцилиндра. Под бункером установлен
подъемно-опускной столик, совершающий от
пневмопривода возвратно-поступательное
движение в вертикальной плоскости. На столик
помещается лоток.
При опускании штоков пневмоцилиндров
в бункере создается избыточное давление, под
воздействием которого тесто из насадок дози-
руется в лоток при верхнем положении подъ-
емно-опускного столика. После этого заслонка
закрывает насадки, столик опускается и запол-
ненный лоток заменяется порожним.
Техническая характеристика зефиро-
отсадочной машины А2-ШОЗ приведена
ниже.
Производительность при изготовле-
нии зефира на агаре (при 40 циклах в
минуту - 4 лотка/мин), кг/ч.......... 390
Число половинок зефира в одном лот-
ке.................................. 108
Максимальный объем половинок зе-
фира, см3........................ 65
Габаритные размеры лотка, мм
длинахширинахвысота......... 1390x410x55
Температура воды для нагрева рубаш-
ки бункера, °C..................... 50... 70
Установленная мощность kBi....... 3,15
Габаритные размеры, м
длинахширинахвысота......... 5.8х 1,025х 1,92
Масса машины....................... 1250
Интересная отсадочная машина установ-
лена и работает в линии производства пирож-
ных «Эклер» на кондитерской фабрике «Боль-
шевик». Линия разработана ВНИИ кондитер-
ской промышленности совместно с работника-
ми фабрики.
Отсадочная головка, включающая загру-
зочную воронку, корпус с поворотным золот-
никовым устройством и матрицу с насадками,
установлена на подвижной каретке. Особенно-
стью машины является то, что в отличие от
известных поршневых нагнетателей у нее де-
вять поршней шарнирно закреплены на стани-
не, а отсадочная головка с поршневыми цилин-
драми в поворотном золотниковом устройстве
перемещается при движении каретки. В мо-
мент отсадки головка перемещается вдоль
движущейся под насадками ленты конвейера.
При формовании заготовок для эклеров отсад-
ка происходит на стальную конвейерную лен-
ту.
Машина может быть использована для
отсадки масс, обладающих достаточной теку-
честью. Пластичные массы на этой машине
могут быть отформованы лишь с применением
какого-либо питающего устройства, которое
позволит произвести принудительное заполне-
ние поршневых цилиндров золотникового уст-
ройства.
При перемещении головки вдоль конвей-
ерной ленты получаются изделия удлиненной
формы. Получить изделия другой формы, на-
пример корпуса конфет, имеющих вертикаль-
ную ось, на машине такой конструкции невоз-
можно.
Машина делает 138 отсадок/ч при девяти
тестовых заготовках в одном ряду.
У ниверсальные отсадочно-формующие
машины с поршневым нагнетателем фирмы
Винклер и Дюннебир (табл. 6.27), работая в
составе поточных линий, позволяют решать
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ И ФОРМОВАНИЯ
493
6.27. Техническая характеристика отсадочно-формующих машин «Унимат» и «Дусмат»
Показатель «Унимат» «Дусмат»
Рабочая ширина конвейера, мм 600 800 1000 600 800 1000
Габаритные размеры, мм, длинахширинахвысота 1600х 1600х 1600х 1600х 2500х 2500х
1200х 1350х 1550х 1200х 1350х 1550х
1750 1750 1750 1750 1750 1750
Потребляемая мощность, кВт 2,2 4,0 4,0 2,9 4,0 5,5
Ширина конвейерной ленты, см 620 820 1200 620 820 1200
Число насадок при системе: однорядной 11 15 19 2x11 2x15 2x19
двухрядной 2x11 2x15 2x19 2x22 2x30 2x38
разнообразные технологические задачи. Ма-
шины выпускаются в двух основных исполне-
ниях: «Унимат» (одноголовочная) и «Дусмат»
(двухголовочная). Обе машины дополняются
установками для отделки получаемых изделий
целыми орехами и могут работать в режиме
как экструдеров непрерывного действия, так и
отсадочных машин. Производительность
20...60 отсадок/мин регулируется бесступенча-
то.
Изделия формуются на непрерывно дви-
жущуюся ленту конвейера через насадки мат-
рицы в один или два ряда. Формующей головке
может сообщаться возвратно-поступательное
движение в вертикальной плоскости при рабо-
те в режиме отсадочной машины.
Машины «Унимат» и «Дусмат» позволя-
ют точно дозировать массу, что обеспечивается
конструкцией головки, состоящей из валкового
питателя и поршневого нагнетателя с отсе-
кающей золотниковой планкой. Машины
снабжены также струнно-режущим устройст-
вом.
В случае изготовления двухслойных из-
делий и отливки на первый слой более жидкой
конфетной массы, в качестве второй головки
используется специальная насосная система.
Этот узел отливает заданное количество массы
на заготовки, полученные выпрессовыванием.
В машинах со шнековым нагнетателем
основным рабочим органом является шнек,
вращающийся в закрытом цилиндрическом
корпусе с питающей воронкой на одном конце
и с матрицей или насадкой на другом. В конди-
терской промышленности шнековые нагнета-
тели используются главным образом в маши-
нах для выпрессовывания таких вязко-
пластичных масс, как пралиновая или имею-
щая большое распространение за рубежом лак-
ричная паста.
Поршневые устройства с поступательным
периодическим движением поршня в одну сто-
рону и созданные по их схеме машины непер-
спективны, так как необходима их периодиче-
ская остановка для загрузки камеры очередной
порцией массы. Большее распространение по-
лучили поршневые устройства в процессах,
близких к отливке. В этом случае поршень
совершает возвратно-поступательное движение
и применяется в сочетании с каким-либо зо-
лотниковым механизмом.
Вязкопластичные массы, обладающие не-
обходимой текучестью, отсаживают на маши-
нах с нагнетательным устройством, выполнен-
ным по типу зефироотсадочной машины К-33.
На этой машине половинки зефира отсажива-
ются в форме ракушки или пирожка на дере-
вянные лотки. Дозировочно-отсадочный меха-
низм крепится в нижней части горловины бун-
кера (рис. 6.168). Поворачивающийся в золот-
никовой коробке 1 золотник 2 представляет
собой полый цилиндр, разделенный перегород-
ками на шесть камер, в каждой из которых
сделан вырез. Против каждой камеры золотни-
ка в коробке имеется цилиндрический канал, в
котором ходит плунжер 3. Через золотник бун-
кер может сообщаться с плунжерными цилин-
драми, в этом случае плунжеры засасывают
зефирную массу. При повороте золотника на
90 ° образуется полость плунжерных цилинд-
ров, сообщающаяся с гофрированными шлан-
гами 4. В этом случае плунжеры движутся в
цилиндрах, выталкивая зефирную массу через
гофрированные шланги и профильные насадки
494
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Рис. 6.168. Схема дозировочно-отсадочного
механизма
5 на лотки. Гофрированные шланги вместе с
насадками крепятся к подвижной планке б,
которая при помощи кулачков и рычагов имеет
возможность совершать возвратно-поступа-
тельное движение вдоль и поперек конвейера,
описывая сложную фигуру.
В зависимости от требуемой формы от-
саживаемого зефира (в виде пирожка или ра-
кушки) в машине включаются в работу соот-
ветствующие сменные кулачки, управляющие
движением плунжера 3 и насадки 5.
Зефироотсадочная машина А2-ШОЗ за-
вода «Киевпродмаш» (рис. 6.169) состоит из
станины с приводом /, отсадочной головки 2,
цепного конвейера 3 с кареткой, отсадочных
шлангов, механизма 4 регулировки хода плун-
жеров, устройства для поддержания темпера-
туры, карданного вала 5 привода конвейера,
шкафа управления и электрооборудования.
Отсадочная головка крепится к станине. Под
отсадочной головкой устанавливается цепной
конвейер с подвижной кареткой.
Дозировочный механизм отсадочной го-
ловки состоит из двух рядов плунжерных доза-
торов по шесть штук в каждом ряду, двух зо-
лотников, двух рядов резиновых гофрирован-
ных шлангов, оканчивающихся зубчатыми
наконечниками, каждый из которых при по-
мощи планок крепится одной стороной к кор-
пусу отсадочной головки, а второй - к каретке
конвейера.
В УкрНИИПродмаш предложен способ
отсадки зефира [60]. Размещенные в ячейках
элементов конвейера коробки без крышек с
уложенными в них розетками перемещаются к
зефироотсадочной машине с поршневым на-
гнетателем, которая отсаживает в один ряд
Рис. 6.169. Общий вид машины А2-ШОЗ
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ И ФОРМОВАНИЯ
495
розеток определенные порции белой зефирной
массы. При дальнейшем продвижении коробки
по конвейеру на зефирную массу укладывается
начинка, затем коробка поступает под зефиро-
отсадочную машину, которая отсаживает на
начинку необходимую часть зефирной массы
для придания изделиям требуемой формы. По-
сле контрольного взвешивания коробки с зе-
фиром поступают в камеру выстойки.
Шнековый тип нагнетателя используется
в отсадочных машинах поточно-механизиро-
ванной линии ШОК для формования конфет
типа «Трюфели», а также конфет «Красная» из
масс, обладающих при температуре формова-
ния сравнительно небольшой вязкостью и со-
ответственно большой текучестью (рис. 6.170).
Процесс отсадки корпусов происходит
следующим образом. Из сбивальной машины
масса подается в загрузочную воронку 5 отса-
дочной машины, из которой четырьмя гори-
зонтальными шнеками 4 непрерывно нагнета-
ется в золотниковую камеру 6 прямоугольной
формы. Через 12 отверстий в матрице 2, перио-
дически открываемых отсекателем 3, масса
выдавливается на конвейерную ленту 8, пере-
мещаемую в момент отсадки в вертикальном
направлении подъемным столиком 7 при по-
мощи рычага /. В начале процесса отсадки
лента вместе со столиком находится в верхнем
положении, затем резко опускается, отрывая
отсаженный ряд корпусов конфет от формую-
щих насадок матрицы. После этого конвейер
перемещает ряд конфет в следующую пози-
цию.
В процессе эксплуатации этих машин бы-
ла установлена неравномерность истечения
массы из разных отверстий матрицы. Это про-
исходит вследствие неравномерного распреде-
ления давления в общей предматричной каме-
ре, которое зависит от уменьшения сечения
некоторых формующих отверстий из-за засты-
вания в них массы, зависания массы у торцо-
вых стенок загрузочный воронки, а следова-
тельно, и различной объемной подачи нагнета-
тельных шнеков. Кроме того, наблюдалось
колебание температуры в объеме массы (и вяз-
кости) при течении ее через питающую ворон-
ку в предматричную камеру. Это, в свою оче-
редь, привело к колебаниям давления и скоро-
сти истечения массы из формующих отверстий
матрицы.
Недостатком машины является также со-
четание непрерывной работы нагнетательных
шнеков с периодической работой отсекателя,
что вызывает повышение давления в массе в
Рис. 6.170. Трюфелеотсадочная машина
тот момент, когда формующие отверстия мат-
рицы перекрыты, а следовательно, к подтека-
нию массы и к искажению формы конфет при
отсадке, так как при частичном открывании
формующих отверстий (в начале отсадки) по-
вышенное давление приводит к интенсивному
истечению массы со смещением потока от оси
формуемой конфеты, что особенно заметно на
корпусах куполообразной формы. Повышенное
давление в предматричной камере приводит
также к разбрызгиванию массы при открыва-
нии отверстий в матрице.
Применение шнеков в качестве нагнета-
телей массы в общую предматричную камеру с
большим количеством формующих отверстий
не целесообразно, так как шнеки и формующие
отверстия имеют так называемую «мягкую»
характеристику (производительность резко
зависит от противодавления).
На московской кондитерской фабрике
«Красный Октябрь» внедрена машина для от-
садки куполообразных корпусов конфет из
кремовых конфегных масс (67], в которой
осуществляется стабилизация давления на мас-
су по фронту матрицы, что позволяет получать
конфеты одинаковой формы и массы. Машина
(рис. 6.171) состоит из следующих основных
узлов: станины 7 сварной конструкции, фор-
мующей головки, подъемно-опускного столи-
ка, перемещающегося в момент отсадки вместе
496
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Рис. 6.171. Схема отсадочной машины
с конвейерной лентой, кулачковых механиз-
мов, приводной станции. Формующая головка
включает загрузочную воронку /, нагнетающие
шнеки-питатели 2, полые цилиндры 3, закреп-
ленные на общей штанге, при совместном дей-
ствии которых выполняется работа дозирую-
щего и нагнетающего органа, предматричную
камеру 4, отсекающую планку 5, матрицу с
фильерами б, термостатирующую водяную
систему. Последняя обеспечивает постоянный
режим в загрузочной воронке, корпусах нагне-
тающих шнеков, предматричной камере.
Таким образом, масса отсаживается при
незначительном избыточном давлении
(< 0,05 МПа), так как диаметры выпускных
отверстий в матрице и отсекающей планке
соизмеримы с диаметрами поршней. Через 12
отверстий в матрице масса выдавливается на
конвейерную ленту 7, которая перемещается в
момент отсадки в вертикальном направлении
подъемным столиком и затем опускается. При
этом корпуса конфет отрываются от фильер
матрицы и перемещаются на следующую по-
зицию. В процессе работы машины отсекаю-
щая планка движется в обратном направлении
и перекрывает разгрузочные отверстия матри-
цы. Полые цилиндры и поршни поднимаются в
верхнее положение, цикл повторяется.
Использование в конструкции отсадоч-
ной машины нагнетателей двух типов (шнеко-
вый питатель имеет «мягкую» характеристику,
поршневая система - «жесткую») позволяет
отсаживать кремовые массы без изменений их
структурно-механических свойств, а также
обеспечивает точное объемное дозирование и
стабильную форму изделий.
Интересное развитие в области отсадки
получено в конструкциях нескольких типов
широко известных отсадочных машин ОКА. На
рис. 6.172 показана схема формующей головки
одной из ранних конструкций машин. В ниж-
ней части загрузочной воронки / размещена
пара нагнетающих рифленых валков 2 и 7
(диаметром 190 и 150 мм), имеющих одинако-
вую частоту вращения. Валки вращаются пе-
риодически. К корпусу предматричной камеры
3 крепится сменная матрица 4. Сектор 6 пред-
ставляет собой нож. счищающий массу с валка
7 при его вращении. Стенки загрузочной во-
ронки, валки и матрица внутри полые. Цирку-
лирующая в них вода поддерживает необходи-
мую температуру формуемой массы.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ И ФОРМОВАНИЯ
497
Поступившая в воронку масса захватыва-
ется валками и проталкивается в предматрич-
ную камеру. Валок 7 вместе с бункером пово-
рачивается вокруг оси валка 2, при этом сектор
6 скользит вниз по наружной поверхности
предматричной камеры, а зазор между валками
уменьшается. В этот момент происходит исте-
чение массы через матрицу. Выдавленные че-
рез насадки матрицы жгуты масс отрезаются
ножом 5 (образуются корпуса). В момент резки
расстояние между валками увеличивается и
давление на массу прекращается.
Ножи представляют собой струну диа-
метром 0,3 мм, натянутую на держатели, рас-
положенные между насадками и закрепленные
на общей раме. Рама совершает циклическое
возвратно-поступательное движение, струна
проходит вплотную к насадкам матрицы. По-
сле отделения ряда конфетных корпусов струна
опускается и, закончив движение назад, под-
нимается снова.
Отсадка происходит на периодически пе-
ремещающуюся ленту конвейера, под которой
расположен подъемно-опускной стол. В мо-
мент отсадки конвейер стоит, а стол вместе с
конвейерной лентой опускается вниз. После
отделения корпусов конвейер перемещает их
вперед на один шаг, нож совершает обратное
движение. Машина отсаживает одновременно
12 корпусов. Для прилипания корпусов к кон-
вейерной ленте ее слегка смачивают водой.
При работе с маловязкими массами отде-
ление корпусов от массы происходит в резуль-
тате разрежения, возникающего в предматрич-
ной камере при движении валка 7 вверх и
опускании конвейерной ленты. Цикл работы
машины определяется пятью кулачками, уста-
новленными на распределительном валу. В
машине регулируются объемная подача, высо-
Рис. 6.172. Схема отсадочной головки
машины ОКА
та формуемых изделий, траектория движения
струны, величина хода конвейера и движение
подъемно-опускного стола.
Производительность машины
45 отсадок/мин, что составляет в зависимости
от размеров формуемых изделий 2...3 т/смену.
Габаритные размеры: 2250x1250x1570 мм,
ширина конвейера 640 мм.
Машины ОКА находят различное приме-
нение в кондитерской промышленности, на-
пример: отсадка печенья осуществляется на
стальную ленту, марципановых или пралино-
вых конфет - на прорезиненную ленту или
клеенку. Для работы вне поточных линий су-
ществуют машины для отсадки изделий на
лотки или поддоны, перемещаемые цепным
конвейером. Машины применяются также для
непрерывного выдавливания жгутов с после-
дующей резкой. Отличаются машины и конст-
рукцией нагнетателя. Техническая характери-
стика машин ОКА приведена в табл. 6.28.
6.28. Техническая характеристика отсадочно-формующих машин ОКА
Параметр Одноголовочная машина
Ширина конвейера, мм 480 600 800
Габаритные размеры, мм 2350x1100x1650 2350x1300x1700 2200x1400x1700
Масса, кг 1200 1400 2200
Мощность установленных элек- тродвигателей, кВт 1,2 1,5 4
Производительность: по жгутам длиной 120 мм 6720 8400 10920
по конфетам 21600 26400 36000
по изделиям, отсаживаемым на вафли 12600 16200 21600
498
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Рис. 6.173. Схема трюфелеотсадочной машины
Рис. 6.174. Устройство для отсадки
с роторно-шиберным нагнетателем
На московской кондитерской фабрике
«Красный Октябрь» создана машина для от-
садки конфетных масс типа трюфельных, об-
ладающих сравнительно большой текучестью
(рис. 6.173). Машина состоит из загрузочной
воронки 1 с полостью для темперирующей
воды; расположенного вдоль загрузочной во-
ронки шнека 2, имеющего половину левой и
половину правой навивки; корпуса нагнетателя
с водяной рубашкой /2, питающей пары шес-
терен 3, нагнетающей пары шестерен 4; пере-
городок 5, которые делят нагнетающие шес-
терни 4 и предматричную камеру 6 на разные
секции по числу отверстий в матрице 10; отсе-
кателя 7, формующих насадок 5, отборочного
конвейера И; подъемно-опускного столика 9.
В каждой шестерне на двух противоположных
зубьях имеются поперечные прорези, а шес-
терни в парах размещены таким образом, что
при зацеплении этих зубьев происходит соеди-
нение полости нагнетания с загрузочной во-
ронкой.
Выполнение нагнетателя отсадочной ма-
шины в виде двух пар непрерывно вращаю-
щихся зацепляющихся шестеренных роторов,
последовательно расположенных в корпусе,
обеспечивает стабильную объемную подачу
массы.
Перегородки, разделяющие дозирующую
часть на отдельные нагнетатели, обеспечивают
равномерность отсадки по фронту матрицы.
Конфеты, отсаживаемые на машине, имеют
стабильную форму и массу.
Отсадочное устройство с роторно-
шиберным нагнетателем предложено группой
авторов МГУППа и московской кондитерской
фабрики «Красный Октябрь». Устройство
(рис. 6.174) содержит загрузочную воронку 1 с
установленным в ней питающим механизмом
2, камеру 3 с расположенным внутри нее рото-
ром 4. сменную матрицу 5. Приспособление
для отделения корпусов конфет состоит из
подъемно-опускного стола б, кулачка 7, мага-
зина 8 с поддонами 9 и конвейера 10 с гонками
11. Ротор 4 расположен в камере 3 так, что
центр его вращения смещен относительно цен-
тра камеры 3 в сторону формующих каналов
сменной матрицы 5, что позволяет образовы-
вать всасывающую и нагнетающую полости. В
роторе 4 выполнены радиальные пазы с распо-
ложенными в них подвижными пластинами /2,
на которых закреплены планки 13 неэластич-
ного материала, плотно прилегающего к внут-
ренней поверхности камеры 3, служащие для
отсекания находящейся в камере массы от мас-
сы в формующих каналах.
Смещение ротора относительно центра
камеры позволяет создать разрежение, и вса-
сывающая полость камеры заполняется кон-
фетной массой. Уменьшение объема ее второй
полости вызывает нагнетание материала в
формующие каналы сменной матрицы.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ И ФОРМОВАНИЯ
499
Смещение ротора в сторону формующих
каналов сменной матрицы дает возможность
производить формование при давлениях, необ-
ходимых для этого процесса. Наличие подвиж-
ных пластин, расположенных в радиальных
пазах ротора с закрепленными на их концах
планками, позволяет осуществить переход от
непрерывного нагнетания массы в формующие
каналы к периодической отсадке конфетных
корпусов путем отсекания.
Расчет параметров процессов отсадки.
Форма изделий, образующихся в процессе от-
садки, определяется профилем отверстий мат-
рицы, циклом совместной работы нагнетатель-
ных органов и перемещающейся относительно
фильер приемной поверхности. Получающаяся
при этом форма во многом зависит от свойств
массы.
Изделия можно отсаживать или на специ-
альные лотки (при производстве зефира), или
на конвейерную ленту, которая связывает про-
цесс формования изделий с последующими
технологическими операциями (поточное про-
изводство трюфелей). Если приемной поверх-
ностью является конвейерная лента, переме-
щающаяся в процессе отсадки горизонтально,
то получаются корпуса конфет в виде отрезков
жгутов формуемой массы. При производстве
корпусов конфет, имеющих вертикальную ось
(цилиндр, конус, полусфера), приемная по-
верхность и формующие насадки должны
иметь относительное вертикальное перемеще-
ние.
На рис. 6.175 показана схема формования
конфеты в процессе отсадки. В момент начала
истечения массы из фильеры 1 приемная по-
верхность закрепленного на подъемно-
опускном столике 4 поддона 3 касается филье-
ры /. По мере истечения массы столик опуска-
ется. При этом выдавливается вертикальный
жгут массы 2. Скорость движения столика мо-
жет быть выбрана такой, чтобы диаметр жгута
получался больше диаметра выходного отвер-
стия. В момент, когда нагнетательные органы
прекращают подачу массы, а столик продолжа-
ет опускаться, возможны случаи: конфетный
корпус повиснет, а поддон вместе со столиком
будет продолжать опускаться; корпус прилип-
нет к поддону и при опускании вместе с ним
оторвется от жгута массы, оставшейся в филь-
ере, и от ее поверхности. Для правильного
формования конфеты разрыв жгута должен
происходить в сечении около выходного от-
верстия фильеры.
Рис. 6.175. Силовая схема динамического
условия отсадки
Необходимые условия формования кон-
феты отсадкой записываются следующим не-
равенством [60]:
^+0>4+Рпч+Рин, (6.148)
где Рад - равнодействующая адгезионных сил.
приложенных к основанию корпуса конфеты
(в Н), равная произведению адгезионного дав-
ления массы на площадь основания корпуса
Fo ; G- вес; Рад- равнодействующая адгези-
онных сил, приложенных к поверхности филь-
еры (в Н), равная произведению адгезионного
давления массы на площадь контакта; Рпч-
сила, обусловленная прочностью конфетного
жгута в сечении разрыва F, Н; Рин - инерци-
онная сила, действующая на корпус конфеты, Н.
Равнодействующие адгезионных сил Р^
и Р^, очевидно, должны иметь разное значе-
ние в том случае, если фильеры и поддон вы-
полнены из различных материалов.
Из неравенства (6.148) следует, что при
формовании конфет по принципу отсадки на
приемную поверхность необходимо стремиться
уменьшить силу прилипания к наружной по-
верхности фильер и увеличить силу прилипа-
ния к приемной поверхности. Таким образом,
материал для изготовления фильеры и поддона
следует выбирать с противоположными свой-
ствами. При проектировании матрицы для от-
500
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
садки конфетных масс, обладающих высоким
пределом прочности, следует стремиться к
увеличению отношения Fo/F .
В процессе формования конфетная масса
находится в контакте с нагнетательными орга-
нами, внутренними стенками корпуса фор-
мующего устройства насадки. В результате
взаимодействия массы с рабочими органами в
ней создается напряжение, которое вызывает
ее течение. Характер течения определяется как
реологическими свойствами массы, так и си-
лами сцепления ее частиц с контактирующими
поверхностями.
При формовании кондитерских масс от-
садкой большое значение имеют адгезионные
свойства массы, приемной поверхности и ма-
териала рабочих органов, а также условия и
время их контактирования.
При проектировании и создании новых
формующих машин необходимо учитывать
адгезионные явления, чтобы правильно вы-
брать материал деталей, соприкасающихся с
массой, и установить оптимальный режим
формования. В зависимости от назначения
рабочих органов приходится либо увеличивать
их адгезионное сцепление с формуемой мас-
сой, либо добиваться минимальной степени
прилипания.
Взаимодействие нагнетательных органов
с приемной поверхностью может быть синхро-
низировано разными способами, что в сочета-
нии с использованием сменных матриц позво-
ляет получить широкий ассортимент изделий.
Геометрические размеры корпусов зависят от
профиля насадок, количества выпрессованной
массы и скорости движения ленты. Закон дви-
Рис. 6.176. Схема формования корпусов конфет
отсадкой
жения приемной поверхности определяет фор-
му конфетного корпуса, определяемую изме-
нением размеров его поперечного сечения по
высоте.
Для получения изделий заданной формы
и установленных геометрических размеров, что
особенно важно при последующей машинной
завертке конфет или укладке их в коробки с
коррексами, надо правильно рассчитать цикл
работы отсадочной машины. При этом необхо-
димо знать зависимость перемещения рабочих
органов от формы конфет.
Корпуса конфет, полученные отсадкой,
могут иметь самую разнообразную форму. Так,
«Сливочная помадка», «Колокольчик» имеют
форму цилиндра или усеченного конуса, зефир,
трюфели - куполообразную, марципановые -
призматическую. Упрощенно эти корпуса
можно рассматривать как тела вращения - тела
в виде правильных призм или пирамид.
Рассмотрим кинематическое условие от-
садки корпусов конфет из фильеры / (рис.
6.176), представляющих собой какое-либо те-
ло, полученное вращением образующей вокруг
вертикальной оси h. Уравнение образующей
представим непрерывной однозначной функ-
цией
Rh = itRhdh .
При перемещении подъемного столика 4
с закрепленной приемной поверхностью 3 на
величину dh происходит изменение объема
корпуса конфеты 2:
dV = nRhdh.
Изменение объема во времени равно объ-
емному расходу нагнетателя с геометрической
характеристикой А и частотой вращения рабо-
чих органов нагнетателя со = dty/dt. Следова-
тельно, можно записать:
dv _ б/ф А
dt dt т
где ф - угол поворота нагнетательных органов
(например, шестерен), рад; т - число конфет в
одной отсадке.
Произведя подстановку, получаем:
" э л
л \Rfjdh = q—. (6.149)
о т
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ И ФОРМОВАНИЯ
501
Уравнение (6.149) выражает связь между
перемещением столика и углом поворота нагне-
тательного органа. Левая часть уравнения пред-
ставляет собой объем фигуры, полученной при
перемещении столика на величину h ; правая -
выдавленный нагнетателем объем при повороте
на угол (р . Подставляя в уравнение (6.149)
уравнение образующей какого-либо тела враще-
ния и решая его относительно h, получим рас-
четные формулы, связывающие (р и h .
Расчет перемещения приемной поверхно-
сти для отсадки конфет различной формы при-
веден в табл. 6.29.
Для конфет, имеющих форму правильной
призмы или пирамиды, расчетные формулы
получены преобразованием формул для расче-
та цилиндра и конуса.
Предлагаемые формулы учитывают гео-
метрические размеры конфет: диаметр основа-
ния 27?О или сторону а, число граней п, вы-
соту Н и h . конусность К.
Величина А зависит or i еометрических
размеров нагнетательных органов и для каждо-
го типа нагнетателя рассчитывается по соот-
ветствующим формулам.
6.29. Расчетные зависимости при отсадке конфет различных фигур
Фигура Уравнение Расчетная формула
Конус или усеченный конус Rh=R- — h h 2 (К - конусность) , ,/12Лу 8/?3 2R
Круглый цилиндр nRni
Полусфера или шаровый слой Rh=ylR2-h2 h = 27? cos f зяу A arccos 60°+ 2яЯ_т 3 \ 7
Половина эллипсоида вращения яй = N н2 ( Н - высота) h - 2H cos arccos — 60° + 2HnRzm 3 /
Правильная пирамида с /7-угольником в основании h= | 12^H2 _h3 + h 1 n
Правильная призма с /7-угольником в основании /,=—w— 2 f 180° mna ctg n
502
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Рис. 6.177. Схема формования отсадкой
при «жестком режиме»
В общем случае А (см3/°) определяется
зависимостью
ж0,
ЗбОсо
где Q- геометрический объемный расход на-
гнетателя, см3/с; со - частота вращения нагне-
тательных органов, с"1; 0- коэффициент объ-
емной подачи нагнетателя.
Полученные формулы позволяют профи-
лировать кулачки привода подвижного столика
отсадочных машин в зависимости от геометри-
ческой характеристики нагнетателя для отсад-
ки конфет требуемой формы и размеров, что
значительно упрощает проектирование испол-
нительных органов и облегчает синтез кинема-
тической схемы отсадочных машин.
При «жестком» режиме отсадки образо-
вание объемного профиля корпуса конфеты
происходит в результате послойного сжатия
отдельных по высоте корпуса слоев и одновре-
менного их плоского растекания (рис. 6.177).
Порция формуемой массы / выпрессовы-
вается из вертикального выпускного канала 2
матрицы при открытой заслонке 3 на прием-
ную поверхность 4, представляющую собой
конвейер с подъемно-опускным столиком. По-
лучаемая форма изделий зависит от скорости
выпрессовывания продукта из канала матрицы
и скорости движения подъемно-опускного
столика перемещающегося конвейера, а также
от реологических свойств формуемого про-
дукта.
Автором получено аналитическое выра-
жение для определения скорости подъемно-
опускного столика в зависимости от геометри-
ческих размеров изделия и реологических па-
раметров массы:
= ^ср
kR?+'______( 1+2/иУ
p(w + l)(fy )1"2ш 2m J
(6.150)
где г>Ср ~ средняя скорость движения продукта,
выходящего из выпускного канала; р- плот-
ность конфетной массы; h^Rj - текущие коор-
динаты.
При этом предполагается, что течение
формуемой массы описывается степенным
законом
др
—z
dr
где К, т - реологические параметры; др/дг -
градиент давления.
Из уравнения (6.150) найдены выражения
для определения скорости в зависимости от
формы конфеты, радиуса ее основания R и
высоты Н (табл. 6.30).
Одним из основных требований при фор-
мовании конфетных масс отсадкой является
формоудерживающая способность изделия и
четкость рельефа.
Оценивать формоудерживающую спо-
собность изделия можно по критической высо-
те формосохраняемости, определяемой по
формуле
ZKp = то/Р£’
где Тц- предельное напряжение сдвига кон-
фетной массы после формования.
Исследования [68] показали, что при со-
блюдении параметров конфетных масс (близ-
ких по свойствам к массе «Сливочная помад-
ка»), указанных в табл. 6.31, изделия сохраня-
ют свою форму, имеют четкий рельефный ри-
сунок поверхности и легко снимаются с при-
емных листов.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ И ФОРМОВАНИЯ
503
6.30. Расчетные зависимости для скорости движения стола
Форма конфеты Уравнение связи Скорость
Куполообразная । и о? уср =-^ Г / / \“| W + 1 p(w + l)(^)1+2"' 1 т J 1 2-т >
Цилиндрическая Rt = R ^ср = kRm+x р + 2/ny p(w+ )l+2m I ™ J 1 2-т ►
Полусфера или шар R, =0,5 (fl2 -htyi г;ср =- W+1 p(w-bl)(7z/)I+2w 1 т / 1 2-т ►
6.31. Оптимальные параметры формования методом отсадки конфетных масс
на основе мелкодисперсных компонентов
Конфетная масса Влажность, % Вязкость, Па с (при v = 5 с’1) 7 ^кр ’ м Температура, °C Пластическая прочность после охлаждения, кПа
после формования после охлаждения
« Подол ьчанка» 7,5...8,5 500...600 0,03 22...23 15...17 7,5... 8,0
«Сонет» 8,0...9,0 650... 700 0,035 25...27 16...18 9,0... 10,0
«Артлото» 8,0...9,0 700...750 0,036 24... 26 16...18 9,5... 10,5
Формование пищевых масс раскаткой,
прокаткой. В хлебопекарном и кондитерском
производстве раскатка применяется для прида-
ния тесту или конфетной массе формы тонкой
пластины определенной толщины. Раскатка
может быть как самостоятельной операцией,
так и частью общей операции формования.
Раскатка - процесс воздействия вращающих-
ся рабочих органов на пищевой материал до
получения им формы пластины.
Раскатку тестовых заготовок чаще осуще-
ствляют между валками, вращающимися на-
встречу друг другу. Конструкция раскатываю-
щих механизмов отличается простотой и на-
дежностью. Обычно механизмы для раскатки
имеют несколько пар валков, причем скорость
каждой последующей пары увеличивается по
сравнению с предыдущей, что создает допол-
нительное растяжение теста в промежутках
между парами валков. Если один из валков
каждой пары заменить конвейером, валковая
раскатка преобразуется в валково-плоскост-
ную. Такая конструкция формующего меха-
низма применена в машине «Реом» (Япония), в
которой раскатывающие валки установлены на
цепном конвейере, перемещающемся над лен-
504
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Рис. 6.178. Схема прокатки
между валком и лентой
точным конвейером с тестовыми заготовками.
Валково-плоскостную раскатку целесообразно
применять для предварительной деформации
теста перед подачей его на раскатывающие
валки.
Прокатка - способ механической обра-
ботки пищевого материала обжатием между
вращающимися валками с целью получения
полуфабриката в виде отдельных пластов или
жгутов. Наиболее широко прокатка представ-
лена в хлебопекарной промышленности, а так-
же в производственных цехах предприятий
общественного питания: агрегаты для получе-
ния тестовой ленты и формования из нее заго-
товок печения; тестовальцующие машины для
формования ленты из бесформенных кусков
теста; жгутовытягивающие машины для калиб-
рования и вытягивания жгутов карамельной
массы; валковые машины для многократной
прокатки пласта массы жевательной резинки и
для обработки полуфабрикатов слоеных муч-
ных изделий сбивных кондитерских масс и
грильяжа.
Устройство прокатки предложено клас-
сифицировать по следующим основным при-
знакам:
конечной форме материала - лист, жгут;
технологии обработки - обжимные, ре-
версные, непрерывно-действующие;
профилю рабочего валка - цилиндриче-
ский, конусный, фигурный;
числу валков - двух-, трех-, четырех-,
многовалковые.
Прокатка вязких пищевых сред между
вращающимся валком и движущейся лентой.
Рассмотрим процесс прокатки пласта продукта
по схеме, приведенной на рис. 6.178. Продукт
из загрузочной воронки / захватывается вал-
ком 2 и прокатывается в зазоре между ним и
движущимся конвейером 3. Текущий зазор
Н = R + H0-^R-x2 .
Полагаем, что валок вращается с частотой
со , а лента движется равномерно со скоростью
щ. Обозначим через vx и vy скорости по
осям соответственно х и у, причем vx » vy , а
кроме того, dvx /дх dvy Iду .
С учетом принятых допущений диффе-
ренциальные уравнения, описывающие ста-
ционарное, изотермическое течение вязких
сред в зазоре между вращающимся валком и
горизонтально движущейся лентой, имеют вид:
дх _ др dvx dvy
ду дх' дх ду
= 0; р = р(х),
где т- касательное напряжение, Па;
давление, Па.
При этом запишем реологическое «сте-
пенное» уравнение состояния большого класса
различных конфетных масс:
Введем граничные условия:
vx = -щ , vy = 0 при у = —h ;
vx = 4- Hq -h}, vy - -<ox при
у = h;
x = a, р(я) = 0 при у = 0 ,
где а - координата входа продукта в зазор, м.
Производительность
Н д 1+2/7 1
П-7 { 7, Л,- и'Н° 4- " (Wo) " Г 1 //о(ОЛ(1 + 2'7) .
J « + 1 (и + 1)2(2и + 1ДК dxj и+1
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ И ФОРМОВАНИЯ
505
развиваемое давление
-2(/? + /70
Постоянная С определяется из гранично-
го условия р(а) = 0. Потребная мощность
определяется из выражения
а
N = 7?со/j тв<& + щтп1а,
о
^1 - Ян ^0
2
-11/4
Для роликовых калибрующих устройств
машин типа А2-ШРФ А = 1,6(1 - Rq//?).
Момент на валу одного вала
где / - длина валка, м; твтл - касательные
напряжения соответственно на поверхности
валка и ленты, Па.
Прокатка жгута между калибрующими
роликами. На основе гидродинамической тео-
рии вальцевания проведен анализ условий
взаимодействия карамельной массы с поверх-
ностью калибрующих валков (роликов) [60].
Показано, что адгезия массы к валкам приво-
дит к значительному увеличению распорных
усилий. Приняты следующие допущения: фор-
мующая масса не прилипает к поверхности
валков, масса имеет постоянную ньютонов-
скую вязкость (3104...3105 Пас), радиальная
скорость жгута в очаге деформации пропор-
циональна его средней осевой скорости
(рис. 6.179):
vR = Advx.
М - TDf.
где D - диаметр валка по дну желоба, м.
Мощность прокатки
N = kTDfa,
где к - число валков, образующих калибр; о-
частота вращения, с'1.
При прокатке жгута с начинкой распор-
ную силу, определенную по формуле (6.151),
следует умножить на постоянный коэффициент
£, = 28//?-(8//?)2.
где А - коэффициент, учитывающий изменение
радиальной скорости, 3 = dR/ dx « const.
Распорная сила
где 3 - толщина стенки жгута, м.
Формование пищевых масс округлени-
ем и закаткой. Сила взаимодействия плоской
формующей поверхности округлителя с шаро-
образной тестовой заготовкой
Т = 2т]/1^/?1Л
/8
(6.151)
где Г| — вязкость массы, Па с; V- окружная
скорость валка, м/с; R\ - радиус контура ней-
трального сечения жгута, м; f - коэффициент
трения поверхности валка по жгуту; R - на-
чальный радиус жгута, м; Rq- радиус калиб-
рующего отверстия, м;
506
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
б)
Рис. 6.180. Схемы тестозакаточных машин
где h - глубина деформационной зоны контак-
та, м; d- средний диаметр единичного кон-
такта, м; т- напряжение сдвига, Па; асж-
напряжение сжатия, Па; б - глубина смятия
заготовки в месте контакта, м; G - масса заго-
товки, кг; р- плотность заготовки, кг/м3; £>-
коэффициент, учитывающий уменьшение силы
трения при увеличении скорости; г>0Кр - фак-
тическая скорость тестовой заготовки по фор-
мующей поверхности, м/с; а- угол между
направлениями приложенной Q и результати-
рующей Р силами, °.
Анализ уравнения (6.152) показал, что
изменение массы заготовки незначительно
влияет на силу; существенное влияние оказы-
вают коэффициент трения, глубина смятия
заготовки и отношение т/сгсж .
Для придания тестовым заготовкам ци-
линдрической и сигарообразной формы пред-
назначены закаточные машины, наиболее ти-
пичными из которых являются ленточные и
барабанные (рис. 6.180). При формовании теста
по схеме рис. 6.180, а заготовка 3 закатывается
в сужающемся зазоре или между движущейся
бесконечной лентой / и неподвижной плоско-
стью 2, или по схеме рис. 6.180, 6 между двумя
бесконечными лентами 4 и 5, движущимися
навстречу друг другу с разными скоростями,
причем меньшая скорость у формующей лен-
ты.
По схеме рис. 6.180, в осуществляется
формование заготовок из пшеничного теста,
которое предварительно прокатывается между
двумя валками /, затем между рифленым вит-
ком 2 и барабаном 3, между неподвижным
кожухом 4 и вращающимся барабаном 3.
Окончательная закатка происходит в сужаю-
щемся зазоре между движущимся конвейером
5 и неподвижной плоскостью 6.
Автором предложена условная физиче-
ская картина процесса закатки, состоящая из
следующих этапов:
втягивание куска теста в зазор между
движущимися навстречу друг другу с разными
скоростями лентами конвейера;
вращательное и поступательное движение
заготовки в уменьшающемся зазоре между
лентами конвейера, что приводит к постепен-
ному ее деформированию в радиальном и осе-
вом направлениях.
В результате сдвига в тестовой заготовке
накапливается упругая энергия, которая при ее
выходе из зазора приводит к разбуханию. Про-
цесс постепенного сдавливания тестовой заго-
товки по мере ее продвижения в зазоре можно
представить как сжатие заготовки между двумя
поверхностями, движущимися навстречу друг
другу со скоростью
=2(/?2 -Л1).
где 2Z?2 - зазор между лентами на входе, м;
2Л|- зазор между лентами на выходе, м; t-
время, с.
Процесс сдавливания тестовой заготовки
между двумя жесткими плоскостями со скоро-
стью Vq рассмотрен при допущениях, что сре-
да несжимаемая, режим течения установив-
шийся и изотермический, тесто проявляет вяз-
коупругопластические свойства. Компонента
нормального напряжения, с которой осуществ-
ляется сжатие заготовки в процессе закатки,
определяется следующей зависимостью:
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ И ФОРМОВАНИЯ
507
... М Л2
+
1
+ —ехр
П2
где 2h- текущий зазор между лентами кон-
вейера, м; 2/ - длина тестовой заготовки, м;
Г||,Г|2- динамическая вязкость, Пас; А,- пе-
риод релаксации, с.
Так как в процессе закатки тестовая заго-
товка приводится во вращение и одновременно
движется поступательно, то вращающий мо-
мент, создаваемый силами трения со стороны
ленты конвейера и неподвижной доски,
Мъ > 2lbrcn,
где Ь- ширина площадки контакта теста с
лентой, м; г - радиус качения, м; тп - каса-
тельное напряжение в месте контакта, Па.
Величина определяется из условия
сдвига тестовой заготовки, находящейся между
движущимися летами конвейеров:
= *0 +
1 1
— +—ехр
П2
Ч +^2
2h
где Tq- предельное напряжение сдвига, Па.
Если закатка осуществляется по схеме,
показанной на рис. 6.180, а, то ~ 0 •
Ширина площадки контакта определяется
из условия максимального сдавливания загото-
вок при зазоре h = h\. Так как время воздейст-
вия сжимающей силы мало и сопоставимо с
периодом релаксации теста, ширину контакта
можно определить из условия упругого взаи-
модействия заготовки и ленты конвейера:
В = 4//|ay/4,
1-н? 1 — ц?
где Я = ——- + —-—; М2,^1,^2- соот-
£, Е2
ветственно коэффициенты Пуассона и модули
упругости теста и материала ленты.
Радиус качения г определяется в зави-
симости от условий закатки: для схемы по
рис. 6.180, а г = 2h (рис. 6.180, г); для схемы
по рис. 6.180, б величина г определяется эпю-
рой скоростей, показанной на рис. 6.180, д.
Скорость центра масс vc тестовой заготовки
зависит от соотношения скоростей и •
Следовательно, от соотношения скоро-
стей ц и г?2 зависит производительность
закаточной машины.
При выходе заготовки из машины возни-
кает эффект эластического восстановления под
действием внутренних напряжений. Величину
эластического восстановления можно прогно-
зировать по уравнению
2М G2 2Л]
(6.153)
Уравнение (6.153), с одной стороны, по-
зволяет прогнозировать величину D в зависи-
мости от скоростей ц и , зазора 2h и рео-
логических свойств теста, а с другой, - опреде-
лять зазор 2/?j, обеспечивающий необходимый
по технологическим условиям размер заготов-
ки D при заданной производительности ма-
шины.
Формование пищевых масс отливкой.
Отливка - процесс дозирования и заполнения
форм массой в текучем состоянии и структури-
рования массы в формах. Отливкой формуют
широкий ассортимент изделий на помадно-
сахарной, помадно-молочной или фруктово-
желейной основе, шоколадные изделия, в том
числе с твердыми наполнителями, жидкими и
твердыми начинками. Многообразие типов
отливочного оборудования определяется свой-
ствами формуемых полуфабрикатов, требова-
ниями к массе, объему и форме получаемых
изделий. Современное отливочное оборудова-
ние отличается конструктивным исполнением
формующих узлов, способами отливки, мате-
риалом форм, компоновочными решениями
машин.
Отливочные машины относятся к веду-
щему оборудованию производства. Их произ-
водительность, степень автоматизации, степень
агрегатирования с оборудованием технологи-
ческих линий определяют технический уровень
производства в целом. Представляет известную
трудность описать все особенности отливоч-
ных машин, поэтому целесообразно выявить те
существенные признаки, которые характери-
зуют отливку как процесс и во многом опреде-
ляют в конечном итоге конструкцию отливоч-
ного оборудования.
Классификация способов. Укрупненно
процесс отливки как систему признаков можно
классифицировать по табл. 6.32 [60].
508
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
6.32. Классификация систем для формования отливкой
По типу формуемой массы По способу струккурирования По способу отливки По материалу форм
Помадные Кристаллизация сахара Точечная Крахмал
Ликерные Крахмал, сахар
Шоколадные Шоколадные с твер- дыми добавлениями Шоколадные с начин- ками Кристаллизация жиров Металл, поликарбонат
Пралиновые Ленточная
Фруктово-желейные Структурирование при помощи студнеобразова- теля Точечная Крахмал, сахар
Фруктово-белковые Крахмал, силикон
Фруктовые Без структурирования Пленочные полимер- ные материалы
Для каждого типа формуемой массы под-
бираются основные технологические парамет-
ры процесса отливки. Полуфабрикат или гото-
вая масса для формования отливкой представ-
ляют собой жидкие дисперсные системы, обла-
дающие достаточной текучестью, чтобы запол-
нять формы. Для придания этим массам необ-
ходимой текучести их подвергают предвари-
тельной технологической обработке.
Процесс фиксирования формы изделий
отличается по способу структурирования масс:
путем кристаллизации сахаров или жиров, до-
бавления студнеобразователя или без него (при
отливке в различные оболочки).
В массах, обладающих способностью к
студнеобразованию, процесс студнеобразова-
ния протекает равномерно по всему объему
кондитерской массы с образованием сплошной
структурной сетки (мармелад). В пенообраз-
ных массах процесс студнеобразования осуще-
ствляется в тонком слое, окружающем воздуш-
ные пузырьки. В этом случае получаются изде-
лия губкообразной структуры (конфеты типа
суфле). В формовании указанных изделий про-
цессы геле- или студнеобразования играют
первостепенную роль и определяют техноло-
гию выстойки после отливки и качество гото-
вых продуктов.
Как правило, конфетные и шоколадные
массы перед отливкой представляют собой
рецептурные смеси, прошедшие температур-
ную обработку, структурирование таких масс
происходит при определенном режиме охлаж-
дения форм с массой.
Известен способ формования отливкой
изделий, состоящих из оболочки и ликерной
начинки, без применения поршневой дозиро-
вочной системы. В этом случае оболочка на
сахарной основе выкристаллизовывается в
процессе отливки в виде пустотелой конфеты.
Однако данная технология является очень
сложной, так как процесс ведется с пересы-
щенным растворим и возможна несвоевремен-
ная кристаллизация последнего. Во избежание
такого явления к отливочным машинам предъ-
являются определенные требования: дозировка
раствора должна проводиться с минимальной
сдвиговой деформацией; необходимо точное
соблюдение температурного режима; конди-
ционирование помещения, в котором установ-
лена отливочная машина.
По способу отливки процесс подразделя-
ется на порядную и групповую отливки: дози-
рующе-формующий узел за каждый рабочий
цикл последовательно заполняет один или не-
сколько рядов ячеек. В свою очередь, поряд-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ И ФОРМОВАНИЯ
509
Рис. 6.181. Принципиальная схема порядного формования изделий отливкой
ный способ отливки может быть ленточным
(язычковым) (рис. 6.181, а) или точечным (рис.
6.181, б). Групповой способ отливки может
быть только точечным. При ленточном способе
продукт из отливочной головки 4 с золотником
3 поступает через щелевидные отверстия
мундштука 2 в ячейки формы / и дозируется в
виде ленты. Начало и окончание цикла формо-
вания строго регламентированы. Движение
формы и мундштука осуществляется относи-
тельно горизонтально. При групповом точеч-
ном способе отливки в конструкции дозирую-
ще-формующих узлов используются насадки 2
и ориентирующие плиты, распределяющие
массу по всем ячейкам формы /. В каждую
ячейку может быть подана одна или несколько
порций продукта. В дозирующе-формующих
узлах применяются многопоршневые головки.
В зависимости от количества изделий и распо-
ложения ячеек в форме работает набор соот-
ветствующих поршневых групп. При этом ус-
танавливается ориентирующая плита, распо-
ложение отверстий которой должно точно со-
ответствовать рисунку формы.
Дозирующе-формующие устройства - от-
ливочные головки с золотником, используемые
в современных отливочных автоматах, могут
закрепляться неподвижно или быть подвиж-
ными. Подвижные (качающиеся) отливочные
головки совершают маятниковое движение по
ходу подаваемых форм и обратно. Отливочные
машины с такими головками сложны по конст-
рукции, но позволяют более равномерно рас-
пределять массу в ячейках форм, уменьшить за
счет этого общую длину используемых вибра-
ционных (в случае формования шоколада) кон-
вейеров, нейтрализовать влияние подтекания
массы между циклами отливки.
Способ формования отливкой нашел наи-
большее распространение при формовании
пищевых масс особенно в кондитерском про-
изводстве.
По виду изделий оборудование для фор-
мования способом отливки подразделяется на
автоматы и линии производства шоколадных
изделий без начинки (шоколадных плиток,
медалей, узорчатого шоколада различной кон-
фигурации и массы и т.д.), шоколадных изде-
лий с начинками (жидкими, пастообразными,
ликерными и др.), конфетоотливочные маши-
ны.
Отливка шоколадных масс. Шоколадная
масса - основной полуфабрикат, из которого
отливкой в различные формы с последующим
охлаждением получают разнообразные изде-
лия: плиточный шоколад, шоколадные батоны
(с начинкой и без нее), узорчатый шоколад,
шоколадные медали и шоколадные пустотелые
фигуры, шоколад с добавками (орехи, цукаты и
т.д.)
Формование шоколада сопровождается
рядом технологических процессов, сложность
которых обусловливается особенностями
структуры шоколадных масс и их реологиче-
ских свойств, от которых в значительной сте-
пени зависит качество получаемых шоколад-
ных изделий.
Шоколадная масса является высокострук-
турированной дисперсной системой, состоя-
щей из дисперсионной среды (какао-масла,
влаги, жиров) и дисперсной фазы - очень мел-
ких частиц сахара, частиц какао-бобов, сухого
510
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
молока, орехов, кофе и других добавляемых в
шоколадные массы компонентов.
Процесс формования состоит из последо-
вательных операций: постоянного поддержа-
ния определенной температуры шоколадной
массы, ее непрерывного перемешивания, пред-
варительного теплового воздействия на формы,
точного дозирования порций шоколадной мас-
сы в формы, обработки на вибраторах, охлаж-
дения и извлечения готовых изделий.
При формовании шоколадных изделий
долгое время использовались, главным обра-
зом, металлические формы. В последнее время
широко применяются формы из полимерных
материалов (например, из поликарбоната).
Используются также оболочковые формы из
фольги или тонкой пластмассы, которые одно-
временно служат упаковочным материалом для
готовых изделий.
Поскольку шоколадные массы поступают
на отливочные машины в состоянии начальной
кристаллизации, им свойственны относительно
высокая вязкость и значительная сила поверх-
ностного натяжения, которые обусловливают
низкие литейные свойства и недостаточную
растекаемость масс по поверхности форм. В
связи с этим при формовании приходится при-
бегать к напорному дозированию, обеспечи-
вать максимально возможную заполняемость
поверхности ячеек форм, используя ленточную
или точечную системы заполнения, при помо-
щи рабочих органов дозирующе-формующих
устройств (преимущественно плунжерных
насосных систем). Для интенсификации расте-
кания масс по форме создают вибрационное
воздействие.
Большую роль при всех операциях, свя-
занных с формованием шоколадных изделий,
играет температурный режим, который опре-
деляется температурой формуемой массы,
форм, начинок, отформованных изделий и
температурой помещения, в котором проходит
процесс формования, охлаждения, завертки и
упаковки готового продукта. Температурные
режимы операций устанавливают в зависимо-
сти от вида вырабатываемых изделий^ состава
шоколадной массы, количества и качества со-
держащегося в ней жира. Наиболее важной
технологической операцией, существенно
влияющей на процесс формования шоколада и
Рис. 6.182. Отливочная головка с ленточным принципом отливки
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ И ФОРМОВАНИЯ
511
качество получаемых изделий, является опера-
ция темперирования шоколадной массы перед
формованием.
Подробное описание полуавтоматов, ав-
томатов и линий для формования шоколадных
изделий дано Г.Р. Кокашинским [69].
Отливочная головка с ленточным прин-
ципом отливки для производства шоколадных
изделий в виде плиток без добавлений и с
твердыми добавлениями (орех, цукат, изюм и
т.д.) представлена на рис. 6.182. Качающаяся
отливочная головка 2, расположенная в корпу-
се 3, снабжена двойной системой поршневых
групп. В то время, когда одна поршневая груп-
па засасывает шоколадную массу из емкости,
другая заполняет массой форму 1. Этим дости-
гается сокращение в два раза количество рабо-
чих ходов поршней, что обеспечивает высокую
производительность отливочной машины в
целом. Отливочная головка совершает кача-
тельное движение, форма двигается по конвей-
еру без остановки, а в момент отливки прини-
мает вертикальное положение. Таким образом,
заливка форм шоколадом осуществляется при
относительном перемещении отливочной го-
ловки и формы, траектория которого представ-
ляет собой восьмерку.
В процессе отливки отливочная головка
опережает форму и возвращается над отливоч-
ной формой, чтобы затем производить процесс
отливки в следующую форму. В начале про-
цесса отливки происходит приподнимание
форм, а в конце - опускание. Благодаря такой
траектории достигается не только равномерное
распределение массы по форме, но и направле-
ние образующихся подтеков шоколадной мас-
сы всегда только внутрь формы. Вертикальное
перемещение форм также способствует уско-
рению отрыва массы.
Регулируя начальное положение формы
относительно отливочной головки, можно из-
менять распределение шоколадной массы по
форме.
В загрузочной воронке отливочной голов-
ки установлена лопасть, которая поворачивается
синхронно с работой поршней, и обеспечивает
продвижение массы в направлении поршней.
Кроме того, движение лопасти препятствует
расслаиванию массы в случае отливки шоколад-
ной массы с твердыми добавлениями.
Отливка конфетных масс. Наиболее рас-
пространенным способом производства конфет
является формование ее корпусов отливкой в
формы. Для отливки конфетных масс в крах-
мал в кондитерской промышленности приме-
няются модуль-машины. На базе машин про-
стейшей конструкции с течением времени
появилось множество их модификаций для
отливки самых разнообразных конфетных
масс.
Для отливки помадных, ликерных и же-
лейных конфет отечественной промышленно-
стью выпускается отливочная машина ШОЛ.
По опыту эксплуатации известны отливочные
машины зарубежных фирм ЦУХО, СГА, «Ге-
лио» (Германия), «Сави-Жан-Жан» и «Сави-
СИФ» (Франция), НИД (Австралия) [60].
При производстве конфетных масс по
традиционной технологии формования отлив-
кой структура конфетного корпуса формуется в
результате кристаллизации сахарозы из много-
компонентного переохлажденного сиропа. В
этом процессе скорость кристаллизации явля-
ется переменной и определяется не только хи-
мическим составом фазы конфетной массы, но
и параметрами процесса охлаждения.
Формование конфетных масс отливкой
включает в себя заполнение конфетной массой
ячеек форм, выстойку, обеспечивающую фор-
мирование структуры конфетного корпуса, и
извлечение готового корпуса из ячейки.
В качестве формовочного материала
применяют кукурузный или рисовый крахмал
влажностью 5...9 %. При влажности крахмала
ниже 5 % ячейки форм осыпаются, что приво-
дит к образованию возвратных отходов. При
влажности крахмала выше 9 % происходит
прилипание его к поверхности корпуса с час-
тичной клейстеризацией. При этом поверх-
ность корпуса не полностью очищается от при-
липшего крахмала.
Конфетные массы рекомендуется отли-
вать в крахмал при следующих значениях тем-
пературы, °C:
помадные сахарные.......... 70... 75
помадные молочные, сливоч-
ные, крем-брюле........... 65... 80
помадные фруктовые......... 80... 85
помадные с добавлением оре-
хов и какао-продуктов...... 70... 175
Значительное влияние на структурообра-
зование конфет оказывает температура крах-
мала, в отформованные ячейки которого отли-
512
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
вается конфетная масса. Скорость структуро-
образования зависит от степени нагрева крах-
мала и значительно увеличивается с повыше-
нием его температуры.
Выборка и очистка корпусов от крахмала
на отливочных машинах производятся путем
опрокидывания содержимого лотка на систему
вибрирующих сит с обдувкой сжатым возду-
хом и механической очисткой от крахмала,
затем корпуса конвейером подаются в виде
неорганизованного потока на глазировочную
машину, где раскладываются рядами вручную
или с применением ориентирующих устройств»
Машины, выпускаемые в настоящее вре-
мя ведущими машиностроительными фирмами,
рассчитаны на выработку корпусов конфет
1... 12,5 т/ч, укомплектованы установками тон-
нельного типа для непрерывной выстойки кор-
пусов, для периодического просеивания и под-
сушки крахмала, а также устройствами для
выборки корпусов конфет с сохранением их
порядной ориентации при передаче на глазиро-
вочную машину, что высвобождает рабочих на
трудоемкой операции ручной раскладки корпу-
сов на полотно глазировочной машины.
Отливка конфет в металлические и по-
лимерные формы. В последнее время во мно-
гих странах интенсивно разрабатываются спо-
собы бескрахмальной отливки корпусов кон-
фет в металлические формы и формы из поли-
мерных материалов. Это позволило начать
освоение процессов формования отливкой ви-
дов кондитерских изделий, которые традици-
онно формуются другими методами. Так, фир-
ма Бейкер Перкинс (Германия) разработала
оборудование для производства карамели, ири-
са и конфет методом отливки в металлические
и эластичные формы.
Основными частями линии производства
ириса методом отливки в эластичные формы
являются цепной конвейер, отливочная голов-
ка, устройство для извлечения изделий из
форм, охлаждающий шкаф и отборочный кон-
вейер. Присная масса подается в отливочную
головку, уровень массы в которой поддержива-
ется постоянным. Головка перемещается по
ходу конвейера со скоростью, равной скорости
его движения, при эюм происходит отливка
изделий, затем процесс повторяется. Напол-
ненные формы проходят по охлаждающему
шкафу и возвращаются в исходное положение.
За это время происходит процесс структуриро-
вания массы и ее охлаждения. Устройство для
извлечения изделий из форм состоит из роли-
ков, которые соприкасаются с дном формы и
толкателя. Изделия подаются на конвейер, на
котором они дополнительно охлаждаются,
затем поступают либо в лотки, либо непосред-
ственно в заверточные машины.
Формы изготовляются из специальной
резины или сплава алюминия с тефлоновым
покрытием. Каждая ячейка имеет подпружи-
ненный толкатель для удаления изделий по
окончании процесса охлаждения. Ячейки для
изделий могут быть любой формы.
Отливочная головка имеет электрический
обогрев. Для мойки или ремонта она легко
снимается.
При формовании ирисных и карамельных
масс способом отливки расширяют возможно-
сти получения изделий разнообразной формы и
размеров. Техническая характеристика линий
приведена в табл. 6.33.
При формовании кондитерских масс в
металлические формы, как правило, возникает
достаточно прочная адгезионная связь между
отформованным изделием и формой. Поэтому
затруднена операция по извлечению изделии
из форм. При отливке конфетных масс в поли-
6.33. Техническая характеристика линий
Параметр Производство ириса и конфет (СД16) Производство леденцовой карамели
СД18 СД2/32
Производительность, изделий/мин 900 1080 3200
Установленная мощность электродвигателей, кВт 10 10 17
Габаритные размеры, м, длинахш иринах высота 17,56x1,63x2,41 12,56x2,24 17,6x2,24
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ И ФОРМОВАНИЯ
513
мерные формы большое значение имеет тепло-
проводность материала формы. В Германии
предложена двухслойная форма. Полимерный
материал, из которого изготовлен внутренний
слой, армирована порошкообразным, гранули-
рованным или волокнистым материалом по-
вышенной теплопроводности, например метал-
лом, а верхний слой изготовлен из полимера
повышенной прочности.
Вместе с тем, несмотря на явные пре-
имущества бескрахмальной отливки по срав-
нению с крахмальной, она не получила распро-
странения в кондитерском производстве ввиду
более высокой стоимости форм и повышенной
чувствительности к свойствам формуемых
конфетных масс, в первую очередь к адгезион-
ному взаимодействию конфетных масс с мате-
риалом форм. Появление новых полимерных
материалов и совершенствование технологии
их формования создают благоприятные усло-
вия для научно-обоснованного выбора мате-
риалов. пригодных к использованию в конди-
терской промышленности, с учетом предъяв-
ляемых к ним технологических и санитарно-
гигиенических требований.
Возможность отливки помадных и фрук-
товых конфетных масс в формы из увлажнен-
ной пористой резины изучалась Р.Г. Зобовой
[29]. В этих формах процесс структурообразо-
вания помадных корпусов протекает быстрее,
чем в крахмале. Так, через 7 мин выстаивания
при одинаковых условиях значения прочности
соответственно равны 12 и 10,2 кПа, а через
60 мин - 24,6 и 16,6 кПа.
Корпуса конфет, отлитые в увлажненные
формы из пористой резины, по структуре мел-
кокристаллические, однородные по всему объ-
ему, тогда как корпуса, полученные из крах-
мальных форм, имеют на поверхности грубо-
кристаллическую корочку. Однако для увлаж-
нения форм необходимо значительное количе-
ство воды (70...75 % массы резины). Поэтому
практического применения этот способ не на-
шел. Исследованиями Е.Г. Папуш [30] опреде-
лили пути рационализации режимов техноло-
гического процесса отливки конфетных корпу-
сов в резиновые формы.
Изменение адгезионного напряжения в
ходе структурообразования происходит в зави-
симости от температуры конфетной массы при
отливке, концентрации ПАВ, температуры
формы и продолжительности контакта. Эта
зависимость определяется уравнением кинети-
ки адгезии:
(У ад — 67q + 67] 7] + + ^4^ +
+а\ 1Т\ ^2 + ^23^2^ + ^23^ + д34^ +
+<322 ?! +a33C + <W2’
(6.154)
где эмпирические коэффициен-
ты; пад - адгезионное напряжение, кПа; 7j -
температура конфетной массы при отливке, °C;
Т2 - температура формы, °C; С - концентрация
ПАВ, %; t - время контакта, мин.
Значения эмпирических коэффициентов
для четырех конфетных помадных масс приве-
дены в табл. 6.34.
6.34. Значения эмпирических
коэффициентов в уравнении (6.154)
Коэффициент Сорт конфе г помадной массы
«Цитрон» «Клубничные» «Ласточка» «Буревестник»
«0 14,353 25,995 23,190 16,321
«1 0,654 0,767 0,817 0,796
«2 -1,184 -2,392 -2,603 -2,179
«3 -35,479 -38,961 -38,062 -37,354
а4 0,110 -0,030 0,609 0,418
Я|2 -0,018 -0.022 -0,024 -0,023
а23 0,422 0,506 0,472 0,467
а24 0,023 0,928 0,025 0,034
а34 0,256 0,338 0,369 0,312
а22 0,026 0,056 0,066 0,053
а33 17,608 17,050 14,663 16,275
^44 -0,039 -0,041 -0,063 -0.048
17 — 8434
514
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Результаты экспериментов показали, что
увеличение скорости охлаждающего воздуха от
1 до 3 м/с при температуре воздуха 20 °C со-
кращает продолжительность выстойки корпу-
сов конфет в 1,4... 1,7 раза. Введение в конфет-
ную массу ПАВ ускоряет*процесс структуро-
образования на начальной стадии, но снижает
конечное значение прочности. Так, через
10 мин выстойки при указанных параметрах
охлаждающего воздуха предельное напряже-
ние сдвига конфетных масс с добавками ПАВ
превышает в среднем на 30 % предельное на-
пряжение конфетных масс без ПАВ, а через
25 мин составляет 85...92% соответствующих
значений контрольных образцов.
Интенсивное охлаждение конфетной по-
мадной массы, отлитой в ячейки резиновых
форм, целесообразно проводить в первые ми-
нуты выстойки, а по мере продвижения форм к
разгрузочному участку охлаждающей камеры
температура воздуха в камере должна повы-
шаться.
Как показали эксперименты и расчет,
преимуществом резиновых форм по сравнению
с крахмальными является то, что охлаждение в
них идет более интенсивно, что объясняется их
меньшим термическим сопротивлением по
сравнению с крахмальными. При этом обеспе-
чивается равномерность охлаждения конфет-
ного корпуса со всех сторон.
Расчет параметров отливочных машин.
Производительность отливочных машин, а
следовательно, их динамические и кинемати-
ческие параметры зависят от массы формуе-
мых изделий, числа отливок в единицу време-
ни, размеров форм. При заданной производи-
тельности в зависимости от структурно-
механических свойств формуемой массы в ра-
Рис. 6.183. Г рафик изменения давления р
в цикле формования отливкой
бочих органах возникают соответствующие
напряжения. Очевидно, что для каждой фор-
муемой массы существует оптимальный диапа-
зон изменения производительности. Поэтому в
универсальных отливочных машинах, как пра-
вило, предусмотрено бесступенчатое регулиро-
вание скоростных режимов.
В процессе формования конфетных масс
отливкой деформация и течение их в рабочем
канале отливочного механизма происходят под
действием давления, создаваемого нагнетателем.
В настоящее время наиболее распростра-
ненными являются отливочные механизмы с
поршневыми нагнетателями и золотниковым
управлением. Использование поршневых на-
гнетателей обусловливает нестационарность
процесса течения конфетной массы в канале
отливочного механизма, причем, как показы-
вают эксперименты, давление на массу изменя-
ется по закону, показанному на рис. 6.183. Од-
нако, ввиду того что время цикла отливки мало
и составляет 1,5...2 с, в практических целях
можно принять, что отливка за один цикл осу-
ществляется под действием внезапно прило-
женного постоянного давления р$.
В работе [1] рассмотрено нестационарное
течение пищевых масс в круглом канале отли-
вочного механизма. При этом полагается, что
пищевые массы являются ньютоновскими сре-
дами, подчиняющимися «степенному» закону
течения.
Направим ось z вдоль канала, причем
положительное направление оси z принято
вертикально вниз. Обозначим радиус канала R.
Ввиду того, что процесс течения симметричен,
окружной скоростью v0 и всеми производны-
ми по координате ф пренебрегаем. Кроме
того, vz » vr (vz , vr - соответственно осе-
вая и радиальная составляющие скорости).
С учетом изотермичности процесса и
принятых допущений дифференциальное урав-
нение, описывающее нестационарное течение
пищевых масс в канале отливочного механиз-
ма, будет иметь вид
dvz К ( d2vz 1 dvz
—- = — т—— + -
dt р дг2 г дг
£
Р
(6.155)
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ И ФОРМОВАНИЯ
515
где К,т- реологические константы; dp^/dz -
градиент давления; dp^/dz ~ /?q/A ; L- дли-
на отливочного канала.
Начальное и граничные условия запишем
в виде:
vz = 0 при t = 0 ;
vz = 0 при г - R.
(6.156)
Решение дифференциального уравнения
(6.155) при условиях (6.156) позволяет полу-
чить зависимость для расчета скорости течения
объемного расхода:
_ 4л/?4от Г pq
г|эф(5т-1)(9/и-1)( L +PgJ‘
(6.157)
Уравнение (6.157) позволяет по заданно-
му расходу Q для продукта с конкретными
реологическими свойствами определять необ-
ходимое давление рц для движения поршня
отливочного механизма.
При установившемся режиме теоретиче-
ская производительность отливочной машины,
кг/ч
3600/
Тп '
где Т - период заполнения одного или не-
скольких рядов форм, с; i - число ячеек, одно-
временно заполняемых массой; п - число изде-
лии в 1 кг.
Котлетоформовочные машины. Котле-
тоформовочная машина предназначена для
формовки и односторонней панировки изделий
из мясного, рыбного, картофельного фаршей, а
также манных биточков на предприятиях мас-
сового питания.
Рабочим органом машины служит фор-
мующий стол, изготовленный в виде диска с
тремя круглыми отверстиями-ячейками. Стол
закреплен на вертикальном полом валу, внутри
которого установлена тяга механизма регули-
рования массы формуемого изделия. Над столом
располагаются два загрузочных устройства -
цилиндрический бункер для фарша и кониче-
ский - для панировочных сухарей. Внутри
бункера размещен шнек-питатель, нагнетаю-
щий фарш в ячейки формовочного стола.
В состав разгрузочного устройства вхо-
дит сбрасыватель и приемный лоток. Послед-
ний устанавливается на уровне плоскости фор-
мовочного стола. В ячейках формовочного
стола расположены рабочие инструменты ма-
шины - поршни, совершающие при вращении
формовочного стола возвратно-поступательное
движение.
Поршням, расположенным в ячейках
формующего стола, возвратно-поступательное
движение сообщается торцовым копиром,
представляющим собой ступенчатое кольцо,
закрепленное на станине концентрично оси
вала формующего стола. Профиль кулачка
копира имеет следующие участки: первого
опускания, среднего выстоя, второго опуска-
ния, нижнего выстоя, подъема и верхнего вы-
стоя.
В котлетоформовочной машине преду-
смотрен механизм регулирования массы фор-
муемого изделия. Регулирование осуществля-
ется регулировочным винтом путем изменения
положения поршня в ячейке формующего сто-
ла.
При вращении формовочного стола каж-
дый поршень за один оборот опускается дваж-
ды: первый раз - когда ячейка с поршнем на-
ходится под воронкой с панировочными суха-
рями и второй раз - когда поршень располага-
ется под отверстием фаршевого бункера.
Производительность котлетоформовоч-
ной машины определяется по общему уравне-
нию для определения теоретической произво-
дительности машин непрерывного действия III
класса [1,3, 4J:
Qr =60nz,
где п - частота вращения формующего стола,
мин'1; z - число изделий, отформованных за
один оборот.
Потребная мощность электродвигателя
котлетоформовочной машины определяется
по формуле (6.21), где N[ - мощность, необ-
ходимая на преодоление силы трения фарша о
стенки бункера, лопасти шнека-питателя и на
нагнетание фарша в гнезда формующего стола,
Вт; W2 _ мощность, необходимая на приведе-
ние в движение формующего стола и на отрыв
отформованной порции от общей массы фар-
ша, Вт.
Мощность, необходимая на преодоление
силы трения фарша о стенки бункера и шнека,
а также на нагнетание фарша в гнезда формо-
вочного стола
17*
516
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
М = Т1пъ
где / - периметр бункера для фарша, м; П\ -
частота вращения шнека, мин; Т- сила трения
фарша о внутренние поверхности бункера и
лопасти шнека, Н.
Сила трения
7’ = (Л+Пф^)/,
где Р| - сила, нормальная к поверхности сдви-
га, Н; f - коэффициент трения скольжения фар-
ша о металлические поверхности; для мясного
фарша, f - 0,15 ; Оф липкость фарша,
Па; для мясного фарша Пф = (2,5... 5,0)103 Па;
- площадь контакта фарша с поверхностью
бункера, м2.
В данном случае допускается, что сила,
нормальная к поверхности сдвига, равна цен-
тробежной силе:
Р\ = ,
где гп\ - масса фарша, находящегося в бунке-
ре, Н; СО) — угловая скорость шнека, рад/с; т\-
расстояние от оси вращения до конца пера
шнека, м.
Мощность, необходимая на приведение в
движение формующего стола и отрыв отфор-
мованной порции от общей массы фарша,
А/? — ^2^2 ’
где Р± - сила, которую необходимо приложить
для отделения отформованных порций от ос-
новной массы фарша, Н; - скорость отделе-
ния отформованный порции от основной массы
фарша, м/с.
Сила отрыва отформованной порции
Pz = тГф,
где /"ф - площадь формовочной ячейки, м2; т -
предельное напряжение сдвига для фарша, Па.
Предельное напряжение сдвига для мяс-
ного фарша может приниматься в пределах
т = 0,6103 Па.
Скорость отделения отформованной пор-
ции от основной массы фарша определяется
как окружная скорость движения формовочно-
го стола:
v2 = 2пп2г2,
где «2 ~ частота вращения формовочного сто-
ла, мин'1; г^- расстояние от оси вращения
формовочного стола до центра поршня, м.
Исследования разработок ведущих фирм,
специализирующихся на выпуске котлетофор-
мовочных машин, а также патентные исследо-
вания показывают, что в настоящее время наи-
более перспективными направлениями, позво-
ляющими повысить технический уровень и
качество машин является: повышение качества
получаемого продукта (снижение допускаемо-
го отклонения массы одной котлеты от номи-
нальной, сохранение влаги в отформованном
продукте), повышение производительности и
надежности оборудования [2].
Техническая характеристика котлето-
формовочной машины МФК-2240 приведена
ниже.
Производительность............ 2240
Вместимость бункера для фарша,
кг............................. 10
Вместимость бункера для сухарей,
кг............................ 0,7
Масса отформованных изде-
лий, г...................... (45...95)±3%
Частота вращения формующего
стола, мин’1................. 12,4
Частота вращения шнека-питателя,
мин'1........................ 37,3
Электродвигатель:
тип....................... АОЛ2-22-4
мощность, кВт............ 0,4
частота вращения, мин1... 1400
Габаритные размеры, мм.... 610x390x630
Масса, кг, не более........... 75
Тестораскаточные машины предпри-
ятий массового питания. Наибольшее рас-
пространение на предприятиях массового пи-
тания получила машина для раскатки теста
МРТ-60М. Машина применяется в кондитер-
ских цехах и предназначена для раскатки кру-
того пшеничного теста пластами и лентами
толщиной 50... 1 мм, из которых изготовляются
различные кондитерские изделия, а также до-
машняя лапша, пельмени, вареники и др.
Рабочими органами тестораскаточной
машины служат раскаточные валки. Подшип-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ И ФОРМОВАНИЯ
517
ники нижнего валка закреплены неподвижно в
стойках, а верхнего - в поворотном кронштей-
не, соединенном с помощью тяги с регулиро-
вочным маховиком и винтом.
Над раскаточными валками укреплен
съемный бункер, который приводится в коле-
бательное движение храповым механизмом,
установленным соосно с нижним раскаточным
валком, от которого он приводится в движение.
В днище бункера закреплена решетка (сито),
через которую мука высыпается на раскаты-
ваемый пласт теста и предохраняет его от при-
липания к валкам.
К стойкам машины прикреплен загрузоч-
ный лоток, поверхность которого находится на
уровне зазора между раскаточными валками.
Над лотком установлена предохранительная
решетка, снабженная концевым выключателем.
На раме под раскаточными валками установлен
конвейер, под которым расположен противень
для сбора осыпавшейся с пласта теста муки. В
процессе работы машины раскатанный пласт
теста опускается на ленту конвейера и переме-
щается к оператору, который при необходимо-
сти может направить его на повторную раскат-
ку. Для последующей раскатки необходимо
уменьшить зазор между валками на 3...5 мм.
Конвейер состоит из двух валиков - на-
тяжного и приводного. На валиках закреплена
бесконечная хлопчатобумажная лента. Веду-
щий и натяжной валики конвейера соединены
между собой двумя параллельными втулочно-
роликовыми цепями, что предотвращает про-
скальзывание ленты конвейера во время рабо-
ты. В движение конвейер приводится цепной
передачей от приводного устройства. В нижней
части машины на раме установлены электро-
двигатель и червячный редуктор. Вал электро-
двигателя соединен с входным валом редукто-
ра кулачковой муфтой. При изменении рас-
стояния между раскаточными валками вступа-
ет в действие натяжное устройство, которое с
помощью подпружиненного рычага натягивает
цепь и обеспечивает нормальную работу пере-
дачи.
Теоретическая производительность
тестораскаточной машины непрерывного
действия может быть найдена по формуле (5.1)
[1,3, 4J, где F- площадь щели между раска-
точными валками, м2; V- скорость движения
раскатанной ленты теста, м/с; р- плотность
теста, кг/м3; ср - коэффициент заполнения ще-
ли тестом ф = 0,6...0,8 .
Площадь щели между раскатывающими
валками
F = hl,
где h- расстояние между валками, м; /-дли-
на валков (рабочая), м.
Скорость движения раскатываемой ленты
теста определяется как окружная скорость рас-
каточных валков:
v - nDn,
где D- диаметр раскаточных валков, м; п -
частота вращения раскаточных валков, с'1.
Техническая характеристика машины
МРТ-60М приведена ниже.
Производительность, кг/ч..... 60
Толщина раскатываемого слоя,
мм........................... 1...50
Масса порции теста, кг....... 10
Скорость движения ленты
транспортера, м/с............ 0,103
Электродвигатель:
тип.................... АОЛ2-11-4
мощность................ 0,6
Габаритные размеры, мм.... 1050х740х 1200
Масса, кг, не более.......... 200
Наиболее перспективными направления-
ми повышения техническою уровня и качества
тестораскаточных машин является повышение
уровня их надежности, снижение удельных
показателей энерго- и материалоемкости, сни-
жение уровня шума [2].
6.5.6. РАСЧЕТ ЛАМИНАТОРОВ
При формовании некоторых видов изде-
лий из мучного теста таких, как галеты, креке-
ры, хрустящие хлебцы, тонкий армянский ла-
ваш, маца необходимо получить непрерывный
тестовый пласт заданной толщины с помощью
ламинаторов или прокатывающих машин.
Для расчета ламинатора необходимы сле-
дующие расчетные данные:
тин прокатываемого теста (скорость из-
менения реологических характеристик массы);
физико-механические параметры тесто-
вой массы, подлежащей прокатке - плотность
р (кг/м3), максимальное напряжение при рас-
тяжении цилиндрического тестового образца
сттах (кг/см2);
производительность линии Q, в состав
которой входит ламинатор;
518
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
число стадий прокатки z ;
геометрические параметры тестового
пласта на конечной стадии прокатки, м, - тол-
щину h и ширину пласта b ;
геометрические параметры прокатываю-
щих вальцов, м, - радиус R и ширину прока-
тывающего валка В ;
время выпечки /вып (мин);
длину активной части пода печи а (м).
Образование тестового пласта - это один
из этапов в технологической цепи, обеспечи-
вающей получение готового изделия. По этой
причине производительность ламинатора обу-
словлена производительностью следующей за
ним машиной - печью, которая определяет, в
сущности, производительность линии в целом.
Поэтому расчет ламинатора начинают с опре-
деления скорости движения тестовой ленты
т’пл, сходящей с последней группы прокаты-
вающих вальцов. Эта скорость должна точно
совпадать со скоростью движения пода печи
г’под и может быть определена из следующего
соотношения, м/мин:
_ _ а
^пл ~ ^под = ~ •
*вып
Зная скорость движения тестовой ленты,
ее геометрические размеры и плотность теста
на расчетном этапе раскатки определяют ми-
нутную производительность ламинатора по
«сырому» тесту, кг/мин,
<7 = ^плР-
Справочные данные по плотности и дру-
гие физико-механические характеристики про-
катываемой тестовой массы следует привести в
соответствие с влажностью обрабатываемого
теста и давлением в очаге деформации.
Мучное тесто, как правило, является мно-
гокомпонентной и многофазной средой, точно
описать поведение которой в очаге деформа-
ции не представляется возможным. По этой
причине расчет проводится методом последо-
вательных приближений, задаваясь нескольки-
ми толщинами тестового пласта, которые мо-
гут иметь место в производственном процессе.
Для удобства работы результаты расчетов це-
лесообразно сводить в таблицы или организо-
вывать массивы при использовании персональ-
ного компьютера.
Производительность по готовому про-
дукту рассчитывается с учетом упека и усуш-
ки. Наличие таких данных позволяет легко
ориентироваться в возможных изменениях
режимов прокатки, вызванных производствен-
ной необходимостью.
Если время выпечки отформованного
пласта теста строго фиксировано, то получен-
ных данных достаточно для проведения даль-
нейшего расчета. В том случае, когда время
выпечки по каким-либо причинам может ме-
няться, необходимо расширить границы расче-
та по производительности ламинатора.
Кинематический расчет ламинатора.
Целью кинематического расчета является оп-
ределение частоты вращения прокатывающих
валков для каждой стадии прокатки.
Базовым условием расчета является по-
стоянство расхода формуемого материала в
единицу времени по всем группам прокаты-
вающих валков. Понятно, что этот массовый
расход равен производительности ламинатора,
которая определена выше.
Скорость движения тестового пласта на
любой из стадий прокатки, м/мин,
V
— ^niin
ПЛ 1 J
bhp
(6.158)
По рассчитанной скорости движения тес-
тового пласта определяется угловая скорость
прокатывающих валков
Частота вращения (мин1) валков
п = ЗОсо/л или
п = 0)9,5492 . (6.160)
Рассмотрим кинематический расчет че-
тырехстадийного ламинатора со ступенями
прокатки 1-4 (рис. 6.184). В приемный бункер 5
подается перерабатываемая тестовая масса.
Каждая группа прокатывающих валков имеет
свой самостоятельный привод, позволяющий
плавно изменять частоту их вращения. Без
наличия таких устройств в цепи привода вал-
ков ламинатор невозможно эксплуатировать.
Первая ступень ламинатора 1 предназна-
чена для формования начального пласта из
разрыхленной тестовой массы, поступившей в
загрузочный бункер. Она включает два валка
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ И ФОРМОВАНИЯ
519
диаметром 300 мм и более. Валки имеют мак-
симальную и минимальную частоту вращения
с плавным переходом от одной к другой. При
расчете первой ступени следует исходить из
того, что имеются две возможности задания
необходимого расхода:
1) изменением зазора между валками;
2) изменением частоты вращения фор-
мующих пласт валков.
В первом случае необходимо задаться ба-
зовой частотой вращения валков и при ее по-
стоянном значении рассчитать для каждой
возможной производительности соответст-
вующие зазоры между валками. Затем при пе-
реходе от одной производительности к другой
или от одного времени выпечки к другому не-
обходимо изменять зазор между валками, что
можно сделать с помощью предварительно
отградуированного лимба.
Во втором случае необходимо задаться
базовым зазором между валками и, используя
его в качестве постоянной величины, рассчи-
тать для каждой возможной производительно-
сти необходимые частоты вращения прокаты-
вающих валков. Полученные данные позволя-
ют варьировать производительностью ламина-
тора путем изменения частоты вращения про-
катывающих валков. Эта операция осуществ-
ляется с помощью вариатора.
Следует отметить, что второй способ бо-
лее прост и удобен в эксплуатации. На практи-
ке, как правило, сочетают оба способа.
Реализация первого способа предполагает
такую последовательность расчета.
• Задаются средней частотой вращения,
мин ', «ср = («max-«min)/2- Это Даст В03-
можность при необходимости скорректировать
ее значение, увеличить или уменьшить.
• Определяют угловую скорость валков,
рад/с, (О = 7Шср /30.
• Определяют скорость движения тесто-
вого пласта, в первом приближении полагая,
что скорость пласта совпадает с окружной ско-
ростью поверхности прокатывающих валков,
^пЛ=60с1)Я, (6.161)
где R - радиус валка, м.
• Определяют зазор (м) между валками,
полагая, что толщина пласта совпадает с вели-
чиной зазора, т.е. без учета упругого последей-
ствия,
Рис. 6.184. Схема четырехступенчатого
ламинатора
g _ ^min
^плР ’
где Ь- ширина раскатывающего валка (м),
уширение пласта после формования также не
учитывается; р- плотность пласта, которую
следует брать с учетом давления в очаге де-
формации (коррекция после проведения сило-
вого расчета).
Целесообразно провести расчет для не-
скольких минутных расходов. Тогда расчет
зазоров для каждой минутной производитель-
ности позволит определить область, ограни-
ченную первым способом регулирования. По-
лученные результаты удобно свести в таблицу
или организовать массив.
Результаты расчета позволяют опреде-
лить базовый зазор и перейти ко второму мето-
ду регулирования минутного расхода измене-
нием частоты вращения прокатывающих вал-
ков. В качестве постоянного базового зазора
может быть взято среднеарифметическое зна-
чение зазора, полученного на основании дан-
ных предыдущих расчетов.
• Определяют скорость движения тесто-
вого пласта по (6.158), где h - 5 = 5ср .
• Определяют угловую скорость со по
формуле (6.159).
• Определяют частоту вращения валков
по формуле (6.160).
Эти данные определяют область, охваты-
вающую вторым способом регулирования ми-
нутной производительности - с помощью ва-
риации числами оборотов прокатывающих (в
данном случае пластообразующих) валков.
Расчет частоты вращения валков по-
следней ступени прокатки. Исходя из прове-
денных расчетов определение кинематических
параметров последней пары прокатывающих
валков проводится в следующем порядке.
520
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Определяется угловая скорость валка по
формуле (6.159). Скорость движения тестового
пласта для этого случая берется из соответст-
вующих таблиц или массивов данных.
Радиус раскатывающего валка R при
проведении поверочно-технологического рас-
чета известен, а при проведении проектного
расчета им следует задаться, принимая во вни-
мание то обстоятельство, что чем больше диа-
метр валка, тем больше его жесткость, устой-
чивее протекание процесса деформирования
прокатываемого материала, выше качество
прокатки, а следовательно, готового продукта.
• Определяется частота вращения валков
по формуле (6.160). Данные берутся из ранее
подготовленного массива.
Разбивка толщины прокатываемого пла-
ста по ступеням прокатки. Ранее проведен-
ные расчеты позволили получить значение
толщины прокатываемого слоя теста для двух
стадий прокатки: начальной h\ и конечной .
Для определения толщины слоя пласта,
оформляемого второй и третьей стадией про-
катки, необходимо задаться соответствующим
коэффициентом обжатия к. Рациональное
значение коэффициента обжатия, как показы-
вает практика, к = 1,8...3,5 . При распределе-
нии коэффициентов обжатия по стадиям про-
катки следует учитывать, что на первых ступе-
нях прокатки плотность прокатываемого теста
и его упругое последействие меньше, чем на
конечных. По этой причине на второй стадии
прокатки коэффициент обжатия к = 1,95...
2,0, а на третьей и четвертой к = 2,94...3,0
(по причине резкого возрастания упругого по-
следействия уплотненного теста).
Рис. 6.185. Очаг деформации
Таким образом, зазоры между валками на
стадиях прокатки следующие:
на второй §2 “ ^1 Аз ’
на третьей 83 - ^2 Аз ’
на четвертой 84 = /к^ .
Расчет частоты вращения прокатываю-
щих валков второй ступени производится в
таком порядке.
• Определяется скорость движения пла-
ста на этой стадии по формуле (6.158). При
h = 8 = 8ср расходы берутся из соответст-
вующих таблиц или массивов полученных ра-
нее результатов расчетов.
• Геометрические размеры валков, пла-
ста, зазора вводятся в формулу, соответствую-
щую этой стадии.
• Определяется угловая скорость валка
по формуле (6.159).
• Определяется частота вращения валков
по формуле (6.160)
Аналогичным образом определяется час-
тота вращения прокатывающих валков третьей
ступени. Полученные данные по скорости
движения тестового пласта, угловой скорости
валков и частоте вращения валков сводят в
итоговый массив.
Полученный в результате расчета объем
информации включает все необходимые дан-
ные (геометрические и кинематические, для
предпусковой настройки ламинатора).
Следует отметить, что в процессе пуска, а
также эксплуатации ламинатора обязательны
отклонения от расчетных данных, что приво-
дит к необходимости постоянного присутствия
оператора и его квалифицированного воздей-
ствия на процесс прокатки.
Очаг деформации и его параметры (рис.
6.185). Очаг деформации можно условно раз-
делить на три зоны. Основная (контактная)
зона ограничена поверхностями контакта про-
катываемого тестового пласта с валками. Она
распространяется от плоскости входа в валки
АА до плоскости выхода из валков ББ.
К основной зоне со стороны передней и
задней ее границы примыкают две внешние
зоны внеконтактной деформации. Размеры
внешних зон и характер деформации в них не
изучены в процессах прокатки тестовых масс.
Поэтому под очагом деформации обычно по-
нимают его основную зону. Однако можно
предположить, что без учета в расчетах очага
деформации влияния этих зон снижается точ-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ И ФОРМОВАНИЯ
521
ность и искажается видение процесса дефор-
мирования.
При прокатке тестового пласта в цилинд-
рических валках одинакового диаметра очаг
деформации могут характеризовать следующие
геометрические размеры (см. рис. 6.185):
/?д - толщина пласта до прохода;
- толщина пласта после прохода;
Д/г - абсолютное обжатие; Д/г = /гд - h\ ;
hc- средняя высота очага деформации;
=(А)+Л|)/2;
6g - ширина пласта до прохода;
- ширина пласта после прохода;
Ьс - средняя ширина очага деформации
или средняя ширина контактной поверхности;
VM)/2;
R - радиус валка;
/ - длина контактной поверхности:
1Х - горизонтальная проекция длины кон-
тактной поверхности;
1у- вертикальная проекция длины кон-
тактной поверхности; 1у = 0,5 Д/г;
а - угол захвата;
F - площадь контактной поверхности.
При расчете параметров очага деформа-
ции /гд, , Ь\ и R обычно заданы или обу-
словлены конструкторскими особенностями
машины. Остальные параметры определяются
по следующим зависимостям.
Длина контактной поверхности
l = y[RKh.
Горизонтальная проекция длины кон-
тактной поверхности, являющаяся длиной оча-
га деформации,
= д/ЛА/г-0,25(АЛ)2 .
Угол захвата может быть определен в
градусах или в радианах:
а = ^/Д/г/R ; а » 57,3^/Д/г/7?.
Величина обжатия, соответствующая за-'
данному углу захвата,
Д/г = D(1 - cosa); Д/г = a2/?.
Площадь контактной поверхности
F = 0,5(/)g +bi)4XhR . (6.162)
С помощью приведенных выше формул
можно определить границы очага деформации
на всех стадиях прокатки, где тестовая масса
уже сформировалась в сплошной однородный
непрерывно движущийся пласт (в примере это
вторая - четвертая стадии прокатки).
На первой стадии прокатки определение
начальной зоны очага деформации представля-
ет определенные трудности, так как внекон-
тактная область перед входом в пластообра-
зующие валки и явления, происходящие в этой
области, могут быть описаны только феноме-
нологически.
Тесто малой влажности представляет со-
бой среду, состоящую из отдельных гранул
неправильной формы. Пластообразующие вал-
ки, вращаясь, увлекают тестовые гранулы и
смещают их в направлении центральной плос-
кости. При смещении происходит объединение
гранул в единую массу с одновременным вы-
теснением воздуха из отдельных гранул и из
всей среды в целом. Естественно, что часть
воздуха не успевает вьгтесниться и остается в
тестовой массе. Это затрудняет определение
места внеконтактной зоны, в которой тесто
стало «сплошной» однородной средой, т.е.
начальную зону очага деформации.
При проведении поверочного расчета на-
чальная зона очага деформации с достаточной
точностью может быть определена опытным
путем.
При проведении проектного расчета не-
обходимо тщательное прочерчивание этой
области загрузочного бункера и проведение
соответствующих аналитических исследова-
ний.
После определения начальной границы
очаг деформации первой ступени прокатки
может быть рассчитан с помощью соотноше-
ний, которые были указаны выше.
Скоростной режим в очаге деформации.
Представление о скоростном режиме в очаге
деформации можно получить путем сравни-
тельного анализа двух текущих скоростей,
явно имеющих место в описываемой зоне, но
принадлежащих разным объектам, участвую-
щим в процессе деформации: vx движения
522
Глава 6. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
прокатываемой массы; vx горизонтальной
составляющей окружной скорости прокаты-
вающие валков.
Первая скорость прокатываемой массы
V =________,
х [^+£>(!-cos ах)]
где vx - горизонтальная скорость теста в про-
межуточном сечении; h\ - толщина пласта в
плоскости выхода; ц- скорость прокатывае-
мого теста в плоскости выхода; D - диаметр
прокатывающего валка: ах - текущее значе-
ние угла поворота валка.
Горизонтальная составляющая окружной
скорости прокатывающих валков
vx = vb cosax ,
где vx - горизонтальная составляющая окруж-
ной скорости валков в точке, положение кото-
рой определяется углом ах; V*- окружная
скорость валков, определяемая по формуле
(6.161); ах- текущее значение угла поворота
валка.
Задаваясь различными значениями угла
поворота валка, определяют ряд значений vx и
vx и сводят в таблицы.
Рис. 6.186. Изменение скорости прокатываемой
массы Vx и горизонтальной составляющей
окружной скорости Vx поверхности валков
по длине очага деформации
По полученным данным строят графики
vx = /(ах ) и vx = j^(ax), показанные на
рис. 6.186. Скорости движения теста и прока-
тывающих валков различаются по всей длине
дуги контакта, за исключением только одной
точки К, положение которой определяется
углом у . Сечение и м ол у . проходящее через
эту точку, называют нейтральным или крити-
ческим.
Критическое сечение делит очаг дефор-
мации на две зоны: зону отставания /, распо-
ложенную между плоскостью входа и критиче-
ским сечением, и зону опережения 2 - между
критическим сечением и плоскостью выхода из
валков.
В зоне / валки движутся быстрее обраба-
тываемой массы, проскальзывая по ее поверхно-
сти, организуя вторичные течения. Силы трения,
действующие на тестовую массу со стороны
валка, в этой зоне направлены по ходу прокатки
и втягивают тесто в очаг деформации.
В зоне 2 тестовый пласт движется быст-
рее валка, проскальзывая по его поверхности.
Силы контактного трения, действующие в этой
зоне на тестовый пласт, тормозят движение
теста.
Из анализа расчетных данных многосту-
пенчатых ламинаторов можно сделать вывод,
что при утонении прокатываемого слоя теста
зона отставания практически занимают всю
область очага деформации, а нейтральное се-
чение, в сущности, совмещается с плоскостью
выхода.
Сила прокатки (рис. 6.187). При аналити-
ческом определении силы прокатки необходи-
мо знать среднее контактное напряжение или
контактное давление рср . Умножая его на
площадь горизонтальной проекции поверхно-
сти контакта Fx , определяют силу прокатки из
соотношения:
Р = РерРх- (6.163)
Вместо Fx можно использовать с доста-
точной точностью площадь контактной по-
верхности F, и тогда соотношение (6.163) при-
мет вид:
P = PC?F. (6.164)
Для определения среднего контактного
напряжения при ламинировании мучного теста
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ И ФОРМОВАНИЯ
523
в качестве расчетной формулы может быть
предложено следующее выражение:
А:р = атах^гЛ|^^см^о^/> >
где Qmax - максимальное напряжение при
растяжении цилиндрического тестового образ-
ца; nv- коэффициент, учитывающий влияние
скорости деформации образца (растяжения);
и^=1...3; nw- коэффициент, учитывающий
влияние влажности тестовой массы;
nw = 1,0... 1,8 ; Ид - коэффициент, учитываю-
щий влияние процентного содержания клейко-
вины (или белка) и ее качество; Ид = 1,0... 1,4;
исм- коэффициент, учитывающий влияние
сорта муки; исм=1...2; иа- коэффициент,
учитывающий влияние объемного напряжен-
ного состояния (зависит от содержания газовой
фазы в тестовой массе и степени сжатия теста
при прокачке); = 1...4 ; п^- коэффициент,
учитывающий влияние ширины прокатываемо-
го пласта; = 1... 1,5 .
При Ь/1 <1,0 , когда имеются благопри-
ятные условия для уширения тестового пласта,
Пь = 1,0 , при Ь/1 > 5 этот коэффициент
Пь =1,5.
Чтобы более точно сориентироваться в
выборе указанных коэффициентов, целесооб-
разно определить следующие величины.
• Среднюю скорость теста в очаге де-
формации), м/мин,
^хср = (^xmin ^xmax )/^ •
Для вычисления этого соотношения не-
обходимо воспользоваться данными, взятыми
из таблицы для рассматриваемой стадии про-
катки.
• Среднее время прохождения очага де-
формации, мин,
^ср ~ У^хср •
• Среднюю скорость обжатия, м/мин,
Цэбж = А^Дср •
После выбора коэффициентов и расчета
контактного давления можно воспользоваться
Рис. 6.187. Точка приложения силы
формулой (6.164) и определить силы, возни-
кающие при прокатке тестового пласта. Весь
объем расчета проводится для каждой стадии
прокатки самостоятельно.
Определение вращающего момента и
мощности, необходимых для прокатки тес-
тового пласта. Если оба валка одинакового
диаметра, а процесс деформации равномерен,
момент прокатки может быть определен как
произведение силы прокатки Р и плеча а рас-
стояния от центра валка до линии действия
силы Р. Если величину а выразить через длину
контактной поверхности, то
Л/пр =2p\\jy/XhR ,
где ц/ - коэффициент плеча, показывающий
какую часть от длины очага деформации со-
ставляет плечо.
Трудность определения момента прокат-
ки заключается в выборе коэффициента, зави-
сящего от характера распределения контакт-
ных напряжений по контактной поверхности.
Точное определение коэффициента плеча тре-
бует проведения специальных исследований.
Ориентировочно этот коэффициент можно
выбирать в пределах 0,4...0,5.
Для расчета мощности, необходимой для
прокатывания тестового пласта, используют
известную формулу:
N = Л/прсо/102.
На этом первый ориентировочный этап
расчета ламинатора можно считать закончен-
ным. В случае необходимости повышения точ-
ности расчета вводятся соответствующие кор-
рективы в геометрические и кинематические
расчетные параметры, и расчет повторяют.
524
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
На этапе уточненного расчета может воз-
никнуть необходимость в определении величи-
ны ожидаемого уширения пласта:
д/? = 0,4—yfbhR.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Глебов Л.А., Семенов Е.В. Рацио-
нальные режимы и оценка эффективной рабо-
ты дробилок ударного действия И Комбикор-
мовая промышленность. М.: ЦНИИТЭИ хле-
бопродуктов, 1991.44 с.
2. Портон В.З., Борисковский В.Г. Ди-
намика хрупкого разрушения. М.: Машино-
строение, 1988. 239 с.
3. Глебов Л.А. Повышение эффективно-
сти измельчения компонентов комбикормов И
Комбикормовая промышленность. М.:
ЦНИИТЭИ Мингаза СССР, 1984. 44 с.
4. Дудаев В.Г. и др. Податливость валь-
цов вальцового станка / Хлебопродукты. 1992.
№ 11. С. 10-11.
5. Иванов А.В. Влияние зазоров в под-
шипниках на стабильность работы вальцовых
станков / Мукомольно-крупяная и комбикор-
мовая промышленность. 1983. № 9. С. 29.
6. Иванова Н.В., Иванов А.В., Арбузо-
ва Ж.В. Расчет производительности муко-
мольных вальцовых станков / Хранение и пе-
реработка сельхозсырья. 1998. № 9. С. 46-47.
7. Справочник машиностроителя. Т. 3 /
Под ред. С.В. Серенса. М.: Машгиз, 1962.
651 с.
8. Механическое оборудование предпри-
ятий общественного питания / В.Д. Елхина и
др. М.: Экономика, 1981.320 с.
9. Сукманов В.А. Повышение техниче-
ского уровня и качества оборудования для ме-
ханической обработки продуктов питания.
Донецк: РИП «Лебедь», 1995. 236 с.
10. Оборудование предприятий общест-
венного питания. Т. 1 / Механическое оборудо-
вание / В.Д. Елхина и др. М.: Экономика, 1987.
447 с.
11. Островский Э.В. и др. Краткий спра-
вочник конструктора продовольственных ма-
шин. М.: Агропромиздат, 1986. 621 с.
12. Топольник В.Г. Количественная
оценка качества оборудования общественного
питания. Донецк: Кассиопея, 1998. 196 с.
13. Дж. Перри. Справочник инженера-
химика. М.: Химия, 1969.
14. Кавецкий Г.Д., Васильев Б.В. Про-
цессы и аппараты пищевой технологии. М.:
Колос, 1997.
15. Плановский А.Н., Николаев П.И.
Процессы и аппараты химической и нефтехи-
мической технологии. М. Химия, 1987.
16. Дытнерский Ю.И. Ьаромембранные
процессы. М.: Химия. 1986. 271 с.
17. Горбатюк В.И., Старов В.М. Усло-
вия образования динамической мембраны И
Химия и технология воды. АН УССР. 1984.
Т. 6. № 5. С. 387-389.
18. Торкунов А.М., Филиппов А.Н.,
Старов В.М. Вероятностная модель ситового
механизма полидисперсных суспензий И Кол-
лоидный журнал. 1992. Г. 54. № 2. С. 139-145.
19. Пирумов А.И. Обеспылевание возду-
ха. М.: Строй изд ат, 1981.
20. Шестов Р.И. Гидроциклоны. Л.: Ма-
шиностроение. 1967.
21. Стабников В.Н., Лысянский В.М.,
Попов В.Д. Процессы и аппараты пищевых
производств. М.: Агропромиздат, 1985.
22. Терновский И.Г., Кутепов А.М.
Г идроциклонирование. М.: Наука, 1994.
23. Стахеев И.В. Основы проектирования
процессов и аппаратов пищевых производств.
Минск: Вышэйшая школа, 1972.
24. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Нос-
ков А.А. Примеры и задачи по курсу процес-
сов и аппаратов химической технологии / Под
ред. П.Г . Романкова. JL: Химия, 1981.
25. Сажин Б.С. Основы техники сушки.
М.: Химия, 1984.
26. Абсорбция и пылеулавливание в про-
изводстве минеральных удобрений / О.С. Ко-
валев и др. Под ред. Н.П. Мухленова,
О.С. Ковалева. М.: Химия, 1987.
27. Вентиляция, кондиционирование и
очистка воздуха на предприятиях пищевой
промышленности / Под ред. Е.А. Штокмана.
М.: АСВ; Ростов-на-Дону: Новая книга, 1997.
28. Стренк Ф. Перемешивание и аппара-
ты с мешалками: Пер. с польского. М.: Химия,
1975. 384 с.
29. Бремер Г.И. Жидкостные сепарато-
ры. М.: Машиностроение, 1957. 243 с.
30. Белоусов А.Н. Применение сепарато-
ров и центрифуг в пивобезалкогольной про-
мышленности / Информагротех. Аналитиче-
ские и обзорные справки, М.: 1992. 16 с.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
525
31. Гольдин А.М., Карамзин В.А. Гид-
родинамические основы процессов тонкослой-
ного сепарирования. М.: Агропромиздат, 1985.
263 с.
32. Жуков В.Г. Анализ стадии формиро-
вания осадка в роторах фильтрующих центри-
фуг И Теор. основы хим. технол. М.: 1995.
Т. 29. № 5. С. 539-547.
33. Кельзон А.С., Циманский Ю.П.,
Яковлев В.И. Динамика роторов в упругих
опорах. М.: Наука, 1982. 280 с.
34. Липатов Н.Н., Новиков О.П. Само-
разгружающиеся сепараторы. М.: Машино-
строение, 1975. 245 с.
35. Лукьяненко В.М., Тараней А.В.
Центрифуги: Справочник. М.: Химия, 1974.
384 с.
36. Семенов Е.В., Карамзин В.А., Но-
викова Г.Д. Методы расчетов гидромеханиче-
ских процессов в пищевой промышленности.
М.: Изд-во МГУПП, 2002. 502 с.
37. Соколов В.И. Основы расчета и кон-
струирования машин и аппаратов пищевых
производств. М.: Колосс, 1992. 399 с.
38. Процессы и аппараты химической
технологии. Явления переноса, макрокинетика,
подобие, моделирование, проектирование: Т. 2 И
Механические и гидромеханические процессы /
Д.А. Баранов и др.; Под ред. А.М. Кутепова.
М.: Логос, 2001. 600 с.
39. Файнерман И.А. Расчет и конструи-
рование шнековых центрифуг. М.: Машино-
строение, 1981. 133 с.
40. Шкоропад Д.Е., Новиков О.П. Цен-
трифуги и сепараторы для химических произ-
водств. М.: Химия, 1987. 256 с.
41. Иваненко А.В. и др. Прессы для ви-
нодельческой промышленности. М.: ЦНИИ-
ТЭИпищепром. 1986. Вып. 2. Сер. 15. 17 с.
42. Исаев Н.И., Лавров Ю.А. Оптималь-
ное дозирование при отжиме жидкости из дис-
персных продуктов в прессах периодического
действия // Изв. вузов. Пищевая технология.
1991. № 1-3. С. 153-155.
43. Самсонова А.Н., Ушева В.Б. Фрук-
товые и овощные соки. М.: Агропромиздат,
1990. 287 с.
44. Брагинский Л.Н. и др. Перемешива-
ние в жидких средах. Физические основы и
инженерные методы расчета. Л.: Химия, 1984.
336 с.
45. Журавлев В.Ф. и др. Смешивание
сыпучих компонентов в псевдоожиженном
состоянии // Тр. ВНИЭКИПРОДМАШа, 1984.
№61. С. 93-102.
46. Зуев Ф.Г., Левачев Н.А., Лотков Н.А.
Механизация погрузочно-разгрузочных, транс-
портных и складских работ. М.: Агропромиз-
дат, 1988. 447 с.
47. Мачихин Ю.А., Мачихин С.А. Ин-
женерная реология пищевых масс. М.: Легкая и
пищевая промышленность, 1981. 216 с.
48. Геометрия пищевого сырья и продук-
тов: Справочник / Под ред. Ю.А. Мачихина.
М.: Агропромиздат, 1990. 271 с.
49. Структурно-механические характе-
ристики пищевых продуктов / Под ред. А.В.
Горбатова. М.: Легкая и пищевая промышлен-
ность, 1982. 296 с.
50. Технологическое оборудование пред-
приятий по хранению и переработке зерна /
Под ред. А.Я. Соколова. М.: Колос, 1984. 445 с.
51. Черняев Н.П. Определение качества
смешивания компонентов комбикормов И Му-
комольно-элеваторная и комбикормовая про-
мышленность, 1985. № 10. С. 15.
52. Черняев Н.П., Гавриченков Ю.Д.
Пневматическое смешивание. Состояние и
перспективы использования в технологии ком-
бикормов // Комбикормовая промышленность.
ОИ/ЦНИИТЭИ Минхлебопродуктов СССР.
1989.
53. Чувахин С.В. Смесители и экструде-
ры в кондитерской промышленности И
ОИ/ЦНИИТЭИПИЩЕПРОМ. 1986. Вып. 3.
21 с.
54. Эффективные малообъемные смеси-
тели / В.В. Богданов и др. Л.: Химия. 1989.
216 с.
55. Данные об оборудовании для пред-
приятий общественного питания: Основные
технические параметры серийного оборудова-
ния и новой техники / Комитет Российской
Федерации по торговле. Всероссийский инсти-
тут питания, 1995. 142 с.
56. Борискин М.А. и др. Сепарирующие
машины на зерноперерабатывающих предпри-
ятиях. М.: Машиностроение, 1979. 108 с.
57. Гортинский В.В. и др. Процессы се-
парирования на зерноперерабатывающих
предприятиях. М.: Колос, 1980. 304 с.
526
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
58. Гортинский А.В. Аналитическое ис-
следование динамики самобалансного рассева
в стационарных режимах с учетом массы обра-
батываемого продукта. М.: Труды ВНИИЗ.
Вып. 107. 1986. С. 48-58.
59. Дудаев В.Г. Каталог технологических
схем мельничных рассевов для мукомольных
заводов. ЦНИИТЭИ Хлебопродинформ. 1995.
50 с.
60. Мачихин Ю.А., Берман Г.К., Кла-
повский Ю.В. Формование пищевых масс. М.:
Колос, 1992.272 с.
61. Чернов М.Е. Оборудование предпри-
ятий макаронной промышленности. М.: Агро-
промиздат, 1988. 263 с.
62. Ким А.Х., Лембович Н.Б. Теоретиче-
ское исследование течения вязкопластичной
среды в шнеке с учетом пристенного скольже-
ния вариационным методом Рица // Тепло- и
массоперенос. Т. 3. Минск: 1972. С. 186-192.
63. Тадмор 3., Гогос К. Теоретические
основы переработки полимеров. М.: Химия,
1984. 628 с.
64. Техника переработки пластмасс / Под
ред. Н.И. Басова и В. Броя. М.: Химия, 1985.
528 с.
65. Бекин Н.Г., Шанин Н.П. Оборудова-
ние заводов резиновой промышленности, Л.:
Химия, 1978. 398 с.
66. Башта Т.М. Машиностроительная
гидравлика. Справочное пособие. М.: Машино-
строение, 1971. 671 с.
67. Марченко Б.П. Машина для отсадки
корпусов конфет из кремовых масс // Хлебо-
пек. и кондит. пр-ть. № 7. 1983. С. 26-27.
68. Овчинникова А.С., Высоцкий А.В.,
Игнатьева Л.П. Формование методом отсадки
конфетных масс на основе мелкодисперсных
компонентов И Хлебопек, и конд. пр-ть. 1982.
№ 6. С. 38-39.
69. Кокашинский Г.Р. Оборудование
для формования шоколадных изделий. М.: Аг-
ропромиздат, 1985. 238 с.
70. Прессы пищевых и кормовых произ-
водств / Под ред. А.Я. Соколова. М.: Машино-
строение, 1973. 288 с.
71. Технологическое оборудование для
предприятий винодельческой промышленнос-
ти: Каталог-справочник. М.: ЦНИИТЭИлегпи-
щемаш. Т. 1. Оборудование для заводов пер-
вичного виноделия, 1973. 99 с.
72. Брагинский Л.Н., Бегачев В.И., Ба-
рабаш В.М. Перемешивание в жидких средах.
Физические основы и инженерные методы
расчета. Л.: Химия, 1984. 336 с.
73. Васильцов Э.А., Ушаков В.Г. Аппа-
раты для перемешивания жидких сред: Спра-
вочное пособие. Л.: Машиностроение, 1970.
272 с.
РАЗДЕЛ 3
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
ТЕПЛО-, МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
И ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
Глава 7
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО-
И МАССОБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
7.1. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ
ОБРАБОТКИ
7.1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЩИЕ
ПОЛОЖЕНИЯ РАСЧЕТА
Функциями оборудования для тепловой
обработки являются:
изменение энтальпии материалов, кото-
рое выражается в изменении их температуры
(нагревании, охлаждении) или физического
состояния (плавлении, затвердевании, замора-
живании, размораживании);
изменение составов компонентов мате-
риалов, которое выражается в уменьшении
концентрации в них летучих и плавящихся
компонентов (воды, жира, ароматических ве-
ществ) в результате их испарения и образова-
ния концентратов нелетучих компонентов (вы-
паривания, дезодорации), вытапливание жира,
криоконцентрация;
тепловая пастеризация и стерилизация
материалов;
необратимые тепловые физико-химичес-
кие и биохимические превращения материалов
или их компонентов (денатурация и гидротер-
мический распад белков, их взаимодействие с
углеводами, инактивация ферментов и др.),
выражающиеся в изменении свойств материа-
лов (растворимости, реологических, органо-
лептических свойств).
Эти функции оборудования реализуются
следующими способами:
поверхностным теплообменом между об-
рабатываемым материалом и находящимся с
ним в контакте теплоносителем (поглотите-
лем), в качестве которого обычно применяют
жидкости или газы, поскольку их транспорти-
ровка не требует сложных устройств. Если
прямой контакт недопустим, то теплообмен
осуществляют через теплопроводящую перего-
родку [12];
объемным преобразованием в теплоту
других видов энергии (механическую, электри-
ческую или микроволнового излучения). Спо-
соб применим только для увеличения энталь-
пии обрабатываемого материала;
испарением летучих компонентов (обыч-
но воды) обрабатываемых материалов за счет
аккумулированной ими теплоты;
выдерживанием обрабатываемых мате-
риалов в нагретом состоянии в течение време-
ни, необходимого для требуемых изменений их
свойств.
Рабочие органы оборудования для тепло-
вой обработки выполняют следующие общие
функции:
перенос теплоты или других видов энер-
гии от ее носителя к обрабатываемому материа-
лу, или от последнего к поглотителю теплоты;
увеличение площади поверхности кон-
такта обрабатываемого материала с носителя-
ми (поглотителями) теплоты и активизацию
режима их гидродинамического взаимодейст-
вия маловязких обрабатываемых материалов с
носителями (поглотителями) теплоты или с
отделяющей их перегородкой, а также переме-
шивание вязкопластичных материалов с целью
интенсификации переноса теплоты;
концентрирование микроволнового поля;
528
Глава?. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
ограждение или изолирование обрабаты-
ваемого материала и воздействующих на него
носителей (поглотителей) теплоты от окру-
жающего пространства;
транспортировку обрабатываемых мате-
риалов, а также носителей (поглотителей) теп-
лоты в рабочем объеме оборудования непре-
рывного действия;
механизацию загрузки и выгрузки мате-
риала в аппаратах периодического действия.
Оборудование для тепловой обработки
бывает непрерывного и периодического дейст-
вия. Для тепловой обработки биологических
материалов на производствах малой мощности
обычно применяют оборудование периодиче-
ского действия. Конструкция оборудования для
тепловой обработки должна обеспечить его
безопасность для обслуживающего персонала,
а также безвредность вырабатываемой продук-
ции для потребителей и удовлетворять требо-
ваниям экологии.
Рассмотренные признаки могут быть от-
ражены в названии конкретного вида оборудо-
вания для тепловой обработки.
Повышение эффективности оборудования
для тепловой обработки достигается:
применением рациональных конструктив-
ных решений, снижающих стоимость изготов-
ления, монтажа, наладки оборудования, зани-
маемого им производственного помещения (ка-
питальные затраты), которые снижаются также
в результате интенсификации тепловой обра-
ботки материалов (ускорения переноса тепло-
ты за счет активизации конвективного фактора,
увеличения удельной площади поверхности
теплоотдачи, использования объемных спосо-
бов подвода теплоты преобразованием в нее
работы внутреннего трения, а также энергии
высокочастотных электромагнитных полей);
снижением энергозатрат (в частности
уменьшением их потерь, рекуперацией тепло-
ты обработанного материала), снижением рас-
хода вспомогательных материалов, повышени-
ем надежности оборудования, автоматизацией
его управления, удобством и механизацией
обслуживания (эксплуатационные затраты).
Расчет оборудования обычно направлен
на определение геометрических размеров
вновь проектируемого типа (или выпускаемого
промышленностью), количества его единиц z,
необходимого для тепловой обработки задан-
ной партии (кг) сырья в течение общего
промежутка времени тп (год, сезон, месяц,
сутки), расхода энергии на единицу продукции.
Заданы начальная 7jH и конечная 7jK
температуры обрабагываемого материала и
температуры соответственно ?2Н и ?2К носи-
теля (поглотителя) теплоты. Известен эффек-
тивный способ тепловой обработки и присущее
ему отношение площади поверхности теплопе-
редачи к единице объема рабочего пространст-
ва, занимаемого обраба! ываемым материалом,
а также носителем (гюглогигелем) теплоты 5]
И S2 (м2/м3).
При использовании теплоты, полученной
преобразованием в обрабатываемом материале
других форм энергии, должны быть известны
теплофизические свойства материала и физи-
ческие параметры энергоносителя, а при кули-
нарной тепловой обработке, пастеризации или
стерилизации, - также данные по кинетике
требуемых необратимых тепловых превраще-
ний биологических материалов или подавления
жизнедеятельности микроорганизмов. В зави-
симости от технико-экономических условий
производства выбирают непрерывный или пе-
риодический режим работы оборудования.
Расчет теплового оборудования включает
определение основных параметров, среди ко-
торых следующие.
1. Общая производительность по сырью.
Для этого в зависимости от режима работы
предприятия определяют продолжительность
нерабочего времени тнр и суммарное рабочее
время предприятия тп , с:
~ тп ~ тнр •
В пределах тр выделяют суммарную
расчетную продолжительность т тепловой
обработки, вычитая из тр непроизводитель-
ные затраты времени на очистку и ремонт обо-
рудования, а при периодическом режиме рабо-
ты оборудования - также затраты времени на
его загрузку и разгрузку.
Общая производительность тепловой об-
работки но сырью, кг/с:
т\ =
2. Расход энергии, а в случае использова-
ния ее материальных носителей - расход мас-
сы. Для этого составляют балансы массы и
энергии:
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ
529
=0;
X
=0’
X у
где ntj- расход массы материала с порядко-
вым номером 1 < j < х (обрабатываемый ма-
териал, продукты обработки, материальные
носители или поглотители теплоты), кг/с; ij-
энтальпия этих материалов, Дж/кг; qi~ мощ-
ность теплового потока с порядковым номером
1 < I < у в результате теплообмена с окру-
жающим пространством через поверхности
оборудования и преобразования в теплоту дру-
гих видов энергии, Вт.
Положительные знаки nij и qi соответ-
ствуют поступлению материала и теплоты в
рабочее пространство тепловой обработки, а
отрицательные - их отводу.
3. Тепловая мощность q оборудования,
Вт. Ее вычисляют сложением произведений
массовых расходов на разность энтальпий но-
сителей (поглотителей) теплоты в их началь-
ном и конечном состояниях и мощности дру-
гих видов энергии, преобразуемых в тепловую.
4. Количество теплоты, затраченной на
тепловую обработку единицы массы материа-
ла,
Ям =<llmj,
где ntj - производительность по объекту теп-
ловой обработки, кг/с.
5. Удельная мощность q теплопередачи,
Вт/м2. Ее получают для способа поверхностно-
го теплообмена жидких или зернистых мате-
риалов с носителями или поглотителями теп-
лоты или преобразования в теплоту теплового
излучения при помощи уравнения теплопере-
дачи или закона Стефана, Вт/м2.
Для этого вычисляют необходимую об-
щую площадь поверхности теплообмена, м2,
S = q/q.
Выбирают тип выпускаемого промыш-
ленностью оборудования с площадью поверх-
ности теплообмена S и объем V его рабоче-
го пространства (или принимают ее проектное
значение). Вычисляют требуемое количество
единиц оборудования Z = S/S и объем рабо-
чего пространства проектируемого оборудова-
ния, приходящийся на обрабатываемый мате-
риал:
Г'| = ф|(
где ц/| - коэффициент использования объема
рабочего пространства.
Для поверхностного теплообмена с от-
дельными обрабатываемыми твердыми телами
вычисляют его продолжительность Tj (при
помощи уравнений нестационарного переноса
теплоты). Объем рабочего пространства, при-
ходящийся на обрабатываемый материал,
И =Ч'|"’|Т1/Р|,
где pi - плотность материала, кг/м3.
Для оборудования, выполняющего тепло-
вую обработку в виде варки, тепловой пастери-
зации или стерилизации материала, вычисляют
дополнительный объем, предназначенный для
его выдержки в течение времени Т|в после
нагрева до температуры обработки:
К1В =4>lBWlBtlB/P|-
6. Общий объем рабочего пространства
теплового оборудования
и = и1+и|в.
7. Геометрические размеры рабочего
пространства. Их определяют в зависимости
от его формы, с учетом требуемых скоростей
движения взаимодействующих потоков на по-
верхности взаимного контакта или с теплопро-
водящей перегородкой.
В расчетах наряду с математическими
выражениями фундаментальных законов теп-
лофизики и гидромеханики могут быть исполь-
зованы также эмпирические выражения.
7.1.2. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ВЫПАРИВАНИЯ
Выпаривание предназначено для концен-
трирования нелетучих компонентов жидких
пищевых продуктов путем удаления из них
части воды испарением. Выпаривание широко
применяют в молочной, мясной, рыбной, кон-
530
Глава?. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
сервной, сахарной, кондитерской и других от-
раслях пищевой промышленности.
Этот процесс происходит при кипении,
т.е. в условиях, когда давление пара над про-
дуктом равно давлению в рабочем объеме ап-
парата. Для нагревания продукта до темпера-
туры кипения используют водяной пар, кото-
рый называют греющим (или первичным), в
отличие от вторичного (сокового) пара, обра-
зующего из выпариваемых продуктов. Процесс
выпаривания проводят под избыточным давле-
нием или под вакуумом. Движущей силой про-
цесса выпаривания является полезная темпера-
тур теплоносителя и кипящего продукта.
Устройство и принцип работы выпар-
ных установок. Основной частью выпарной
установки является выпарной аппарат, который
определяет устройство и принцип работы уста-
новки в целом. В состав выпарных (вакуум-
выпарных) установок (кроме выпарного аппа-
рата) входят конденсаторы (поверхностные и
смешения), вакуум-насосы, пароструйные на-
сосы, а также вспомогательные устройства-
брызгоуловители (ловушки), пробоотборники и
конденсатоотводчики. В зависимости от числа
выпарных аппаратов (корпусов) различают
одно- и многокорпусные выпарные установки.
В однокорпусной установке теплота
греющего пара используется однократно, а
теплота вторичного пара, уходящего из аппа-
рата, обычно теряется. В многоступенчатой
выпарной установке вторичный пар, уходящий
из любого аппарата, используется в качестве
греющего пара в последующем, в котором про-
дукт кипит при более низком давлении. Такой
способ проведения процесса выпаривания
обеспечивает значительную экономию тепло-
ты, поэтому в промышленности он имеет
большее распространение.
Более полное использование теплоты
вторичного пара, образовавшегося в выпарном
аппарате, достигается в выпарных установках с
тепловым насосом (инжектором), в качестве
которого применяют пароструйный компрес-
сор. Его устанавливают на первый выпарной
аппарат установки.
По методу ведения процесса различают
периодическое и непрерывное выпаривание.
Выпарной аппарат состоит из греющей
камеры и сепаратора (пароотделителя). Взаим-
ное расположение греющей камеры и сепара-
тора может быть различным. Греющая камера
может находиться на одном уровне с сепарато-
ром, быть выше или ниже его. Выпарные аппа-
раты разделяют:
по расположению греющей поверхности -
на вертикальные, горизонтальные и наклон-
ные;
по форме поверхности нагрева - с труб-
чатой, змеевиковой, подвесной камерой из
кольцевых элементов и с поверхностью в виде
пластинчатого теплообменника;
по расположению поверхности нагрева -
на аппараты с внутренней (встроенной) и вы-
носной поверхностями нагрева;
по кратности циркуляции - на прямоточ-
ные, в которых продукт проходит через по-
верхность нагрева однократно и с многократ-
ной циркуляцией, в которых продукт циркули-
рует несколько раз;
по режиму циркуляции продукта - на ап-
параты с принудительной циркуляцией (от
насоса) и с организованной естественной цир-
куляцией, характеризующейся наличием цир-
куляционного контура, с неорганизованной
естественной циркуляцией, т.е. продукт в ап-
парате перемешивается.
Все выпарные аппараты можно разде-
лить на две основные группы: с заполнением
рабочего объема продуктом и пленочные.
Последние делятся на аппараты с восходящей
и падающей пленкой для маловязких продук-
тов, и роторные (скребковые) - для вязких
продуктов.
Основным недостатком аппаратов с за-
полнением рабочего объема продукта является
большая продолжительность процесса, которая
неблагоприятно влияет на термолабильные
продукты. Достоинствами пленочных аппара-
тов являются кратковременный контакт про-
дукта с поверхностью нагрева, однократный
расход его через нагревательную камеру, вы-
сокий коэффициент теплопередачи. К его не-
достаткам следует отнести значительную вы-
соту нагревательных трубок (до 7...8 м), а у
роторных - сложность конструкции и относи-
тельно (по сравнению с аналогичными аппара-
тами) высокая стоимость.
Выпарной аппарат с заполненным рабо-
чим объемом и естественной циркуляцией про-
дукта со встроенной греющей камерой состоит
из внутренней греющей камеры с пучком вер-
тикальных нагревательных труб, которые раз-
вальцованы в двух трубных решетках
(рис. 7.1, а). В центре аппарата расположена
циркуляционная труба 7, площадь сечения ко-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ
531
Рис. 7.1. Выпарной аппарат:
а - с естественной циркуляцией и с центральной циркуляционной трубой; б - пленочный с восходящей
пленкой и нижней греющей камерой; в-с выносной греющей камерой и стекающей пленкой; г - роторный
вертикальный; / - пар; 2 - вход продукта; 3 - вторичный пар; 4 - циркуляционная труба; 5 - конденсат;
6 - выход продукта; 7 - вогнутый диск; 8 - вертикальный вал; 9 - электродвигатель
торой составляет 30...40 % суммарной площа-
ди всех нагревательных труб. Греющий пар 1
подается в межтрубное пространство сверху, а
конденсат 5 отводится снизу. Продукт 2 посту-
пает в аппарат и сверху вниз движется по на-
гревательным трубам, нагреваясь в них до ки-
пения. Вторичный пар 3 отделяется от продук-
та в сепарационном пространстве и через брыз-
гоуловитель выводится из аппарата. Остав-
шийся продукт опускается по циркуляционной
трубе 4 и вновь поступает в нагревательные
трубы. Сконцентрированный продукт 6 удаля-
ется из аппарата через нижний штуцер.
Пленочный выпарной аппарат предна-
значен преимущественно для выпаривания
пенящихся, некристаллизующихся растворов,
не образующих осадка на греющих поверхно-
стях и чувствительных к высоким температу-
рам. Он состоит из греющей камеры, сепарато-
ра с отбойником 7 (вогнутым диском) и брыз-
гоуловителем нижней камеры (рис. 7.1, б).
Греющая камера представляет собой пучок
труб (длиной 5...8 м), концы которых разваль-
цованы в трубных решетках.
Раствор 2 через штуцер, установленный в
нижней камере, поступает в трубы греющей
камеры, где на высоте примерно 1/4... 1/5 об-
щей длины трубы вскипает. Образовавшийся
вторичный пар, поднимаясь вверх, постепенно
занимает все центральное пространство труб и
увлекает за собой раствор с большой скоро-
стью в виде тонкой пленки, образовавшейся
вследствие поверхностного трения по пери-
метру трубы. При движении вверх по трубам
раствор выпаривается. Парожидкостная смесь
ударяется о поверхность горизонтально распо-
ложенного вогнутого диска 7, снабженного
изогнутыми лопатками, получает вращательное
движение, отбрасывается к периферии.
Вторичный пар 3, пройдя брызгоотдели-
тель, выводится из аппарата. Упаренный рас-
твор 6 отводится из нижнего пространства се-
паратора. Собственно выпаривание протекает в
тонком слое при однократном прохождении
раствора через трубы греющей камеры обычно
за 60...90 с.
Аппарат, предназначенный для непре-
рывного выпаривания растворов (рис. 7.1, в).
532
Глава?. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
чувствительных к высоким температурам, име-
ет греющую камеру конструктивно аналогич-
ную описанной выше, но расположенную над
сепаратором. Исходный упариваемый раствор
2 насосом подается сверху в трубы греющей
камеры и опускается вниз, образуя на поверх-
ности трубок тонкую нисходящую пленку. Из
нижнего сечения нагревательной камеры па-
рожидкостная смесь поступает в сепаратор,
расположенный внизу. В сепараторе происхо-
дит разделение потока на вторичный пар 3,
который через брызгоотделитель выводится
через верхний штуцер, и упаренный раствор
6, выходящий из аппарата снизу. Греющий
пар 1 поступает в межтрубное пространство, а
конденсат 5 отводится через нижний патру-
бок.
Роторные пленочные вертикальные вы-
парные аппараты (рис. 7.1, г) предназначены
для непрерывного выпаривания термически
нестойких продуктов. Их изготовляют двух
типов: типа РП, имеющего ротор с подвижны-
ми лопатками; типа РК, имеющего ротор с
жесткозакрепленными лопатками.
Аппарат состоит из вертикального ци-
линдрического корпуса с секционированной
нагревательной рубашкой для теплоносителя
(воды, пара) и соосно расположенного сепара-
тора. Внутри корпуса размещен ротор в виде
вертикального вала 8 с насаженными на нем
лопастями. Ротор приводится во вращение
электродвигателем 9 через клиноременную
передачу и имеет окружную скорость на конце
лопасти 3 м/с.
Исходный раствор 2 подается дозировоч-
ным насосом в верхнюю часть, откуда в виде
тонкой пленки стекает по внутренней стенке
цилиндрического корпуса. При стекании рас-
твор захватывается лопатками ротора 8 и при-
водится в движение, при этом образуется плен-
ка, отталкиваемая центробежной силой к внут-
ренней поверхности аппарата. Шарнирные
лопасти при вращении ротора прижимаются к
поверхности нагрева. Допускается некоторая
регулировка толщины стекающей пленки из-
менением частоты вращения ротора. Время
контакта раствора с поверхностью нагрева
обычно составляет 5...25 с.
Упаренный раствор (или полученную на
стенках пасту) лопасти снимают и направляют
на дно аппарата. Конечный продукт 6 удаляет-
ся через штуцер и секторный затвор. Номи-
нальная площадь поверхности нагрева аппара-
та 0,05...20 м2.
Многокорпусная выпарная установка со-
стоит из нескольких выпарных аппаратов, со-
единенных последовательно как по сгущаемо-
му продукту, так и по греющему пару: для
обогрева каждого последующего аппарата ис-
пользуется вторичный пар предыдущего. При
этом теплообмен в каждом аппарате обеспечи-
вается благодаря разности температур между
греющим паром и кипящим продуктом, давле-
ние в каждом последующем аппарате меньше,
чем в предыдущем, что способствует переходу
сгущаемого продукта из одного аппарата в
другой.
Вторичный пар, уходящий из последнего
аппарата, направляют обычно сначала в поверх-
ностные конденсаторы для подогрева исходного
продукта, а затем в барометрический конденса-
тор. Здесь в результате непосредственного кон-
такта пара с холодной водой он конденсируется,
при этом создается вакуум, который обеспечи-
вает необходимый режим работы примыкающих
к конденсатору аппаратов.
В многокорпусной установке, в которой
первые аппараты работают под избыточным
давлением, а последние под разрежением, бла-
годаря многократному использованию теплоты
снижается удельный расход греющего пара.
Удельный расход пара на 1 кг испаренной вла-
ги для выпарных установок приведен ниже,
кг/кг.
Однокорпусная................ 1,1
Двухкорпусная................ 0,57
Трехкорпусная................ 0,4
Четырехкорпусная............. 0,3
Пятикорпусная................ 0,27
Однако с увеличением числа корпусов
возрастают тепловые потери, уменьшается
полезная разность температур между корпуса-
ми, а также создаются условия, ухудшающие
качество таких чувствительных к продолжи-
тельному тепловому воздействию термола-
бильных сред, к которым относится большин-
ство пищевых продуктов (молоко, фруктовые и
томатные соки и т.д.).
Подача продукта в аппарат установки
может осуществляться прямотоком или проти-
вотоком. При прямотоке сгущенный продукт
кипит при более низкой температуре, что очень
важно для выпаривания пищевых продуктов,
чувствительных к температуре. Противоток
применяют для сгущения сред, у которых вяз-
кость значительно возрастает с повышением
концентрации.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ
533
Рис. 7.2. Схема вакуум-выпарной установки:
а - обнокорпусной; б - трехкорпусной; 1 - резервуар для продукта; 2, 10 - насосы; 3 - подогреватель;
4 - выпарной аппарат; 5 - каплеуловитель; 6 - барометрический конденсатор; 7 - ловушка;
8 - труба; 9 - сборник воды
Рациональное число аппаратов в выпар-
ной установке определяется результатами тех-
нико-экономического обоснования, физико-
механическими свойствами продукта и требо-
ваниями технологической обработки. Напри-
мер, в молочной отрасли вакуум-выпарные
установки обычно имеют два-три аппарата, а в
сахарной - четыре-пять.
На рис. 7,2, б показана схема трехкорпус-
ной прямоточной выпарной установки. В пер-
вый аппарат 4 поступает греющий пар, кото-
рый передает теплоту продукту и конденсиру-
ется, вторичный пар первого аппарата отдает
теплоту продукту во втором аппарате и т.д.
Вторичный пар после третьего аппарата 4 от-
водится в барометрический конденсатор 6 и
конденсируется при смешивании с водой. Не-
конденсирующиеся газы через ловушку 7 отка-
чиваются вакуум-насосом. Конденсат по баро-
метрической трубе самотеком отводится в
сборник 9. Конденсат из нагревательных камер
аппарата удаляется также под вакуумом. С
534
Глава?. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Рис. 7.3. Вакуум-выпарная установка А1-ООВ-2:
1-3 - подогреватели; 4 - резервуар исходного продукта; 5 - выдерживатель; 6 - пастеризатор;
7,9- выпарные аппараты; 8,10- сепараторы; 11 - конденсатор; 12 - пароинжекторный блок
этой же целью применяется принудительное
удаление сгущенного продукта насосом 10.
Необходимо отметить, что в схемах противо-
точных выпарных установок насосы для про-
дукта устанавливаются между всеми аппарата-
ми, так как продукт движется от аппарата с
низким давлением к аппарату с более высоким
давлением.
Установка непрерывного действия пле-
ночного типа с нисходящей пленкой А2-ОВВ-2
(рис. 7.3) состоит из двух вакуум-выпарных
аппаратов с комплектом подогревателей; пасте-
ризатора, конденсатора и вспомогательного обо-
рудования, соединенных между собой продук-
товыми (-), конденсатными (-к-), паровыми (-2-)
трубопроводами и трубопроводами охлаждаю-
щей воды (-7в-).
Резервуар для исходного продукта 4 -
вертикальный цилиндрический сосуд с на-
клонным в сторону слива днищем предназна-
чен для приема и подачи продукта, а также
моющих растворов в технологическую комму-
никацию и автоматической подачи воды (кон-
денсата) при отсутствии продукта. Он обору-
дован датчиками уровня и сливным клапаном с
поплавковым приводом.
Подогреватели 1-3 - вертикальные вось-
миходовые кожухотрубные теплообменники,
предназначенные для подогрева исходного
продукта до температуры выпаривания.
Пастеризатор 6 - восьмиходовой кожу-
хотрубный теплообменник с площадью по-
верхности нагрева 3 м2. Выдерживатель 5 пас-
теризатора - труба диаметром 180 мм с двумя
крышками.
Вакуум-выпарные аппараты 7, 9 включе-
ны последовательно один за другим. Эти теп-
лообменники состоят из верхней продуктовой
камеры с распределительным устройством для
организации пленки жидкости, паровой камеры
с вертикальными кипятильными трубами и
нижней продуктовой камеры, соединенной с
выносным центробежным сепаратором.
Выпаривание происходит в пленке жид-
кости, гравитационно стекающей по внутрен-
ней поверхности вертикальных кипятильных
труб.
Конденсатор 11 - вертикально-трубчатый
шестиходовой поверхностный теплообменник
с площадью теплообмена 24 м2.
Пароинжекторный блок 72 состоит из
инжектора первого корпуса, инжектора пасте-
ризатора, паро- и трубопроводов. На вакуум-
выпарной установке в качестве пароструйного
инжектора первой ступени применен односо-
пловый инжектор с цилиндрической камерой
смешивания.
Для удаления неконденсирующихся газов
из конденсатора и создания разрежения в уста-
новке в пусковой период применен пароструй-
ный двухступенчатый вакуум-насос с поверх-
ностным четырехходовым конденсатором (с
площадью поверхности охлаждения 0,9 м2).
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ
535
Исходный продукт через расходомер по-
дается в резервуар, прокачивается через все
подогреватели и пастеризатор с выдержи вате-
лем. Затем продукт поступает в греющую ка-
меру вакуум-выпарного аппарата 7. Отделение
жидкости от вторичного пара происходит в
сепараторе 8. Продукт собирается с днища
сепаратора и с нижней части греющей камеры
и насосом передается в греющую камеру аппа-
рата 9, в которой он подвергается аналогичной
обработке.
Подогрев продукта в греющей камере
второго аппарата осуществляется вторичным
паром, отобранным из сепаратора 8. Пар, отра-
ботавший в паровой камере второго аппарата,
отбирается с помощью инжектора, смешивает-
ся с греющим паром и подается в греющую
камеру первого аппарата 7.
Отличие установки А2-ООВ-4 от
А2-ООВ-2 заключается в том, что в ней вто-
ричный пар из греющей камеры второго аппа-
рата поступает в конденсатор и его конденсат
используется для обогрева кипятильных труб.
Расчет выпарного аппарата. Расчет вы-
парного аппарата включает определение коли-
чества выпареной влаги, расхода греющего
пара и площади поверхности нагрева. При этом
известными являются:
производительность аппарата по посту-
пающему на выпаривание продукту;
начальная и конечная концентрации су-
хих веществ в продукте;
начальная температура и теплоемкость
продукта;
давление и температура греющего пара в
аппарате для однокорпусной установки или в
первом аппарате для многоступенчатой;
температура пара на выходе из аппарата
для однокорпусной установки или на выходе
из последнего аппарата для многокорпусной.
Однокорпусная выпарная установка
(см. рис. 7.2, а). Продукт подается насосом 2 в
подогреватель 3, а затем в выпарной аппарат 4.
Греющий пар поступает в межтрубное про-
странство подогревателя и выпарного аппара-
та. Образующийся в аппарате вторичный пар
вместе с воздухом и газами направляется через
каплеуловитель 5 в корпус барометрического
конденсатора 6, а воздух и газы из верхней
части через ловушку 7 откачиваются вакуум-
насосом. Конденсат после смешивания с водой
отводится из корпуса барометрического кон-
денсатора самотеком через трубу в сборник 9.
Сгущенный до нужной концентрации продукт
откачивается насосом.
Масса выпаренной влаги и конечная кон-
центрация сухих веществ в продукте опреде-
ляются из уравнения материального баланса.
Количество выпаренной воды, кг/с,
W = -<„/(. к )•
где G- производительное!ь аппарата по по-
ступающему на выпаривание продукту, кг/с;
Сц Ск соответственно начальная и конечная
концентрация продукта, кг/кг (раствора).
Производительность выпарного аппарата
по готовому продукту
Gr = G- W.
Конечная концентрация сухих веществ в
готовом продукте
CK=GC„/(G-Jr).
Расход греющего пара на выпаривание
исходного продукта находят из уравнения теп-
лового баланса:
_ [р(с212 ~ clzl) + ('2 ~ сж‘2 ) + 2п ]
(/| — СК1К )
(7.1)
где С|’с2’сж’ск“ удельная теплоемкость ис-
ходного и сгущенного продукта, выпариваемой
жидкости (воды) и конденсата, кДж/(кг°С);
температура соответственно исход-
ного, сгущенного продукта и конденсата, °C;
zbz2~ энтальпия соответственно греющего и
вторичного пара, кДж/кг; Qn - потери теплоты
в окружающую среду.
При расчете выпарных установок с теп-
ловым насосом учитывают коэффицент инжек-
ции w, который показывает, какое количество
вторичного пара может быть сжато в инжекто-
ре до необходимых параметров 1 кг греющего
(рабочего) пара. При применении инжектора в
выпарной аппарат поступает смесь DCM рабо-
чего Dp и вторичного пара DBn в количестве
^см = + ^вп ~ Dp + uDp = Dp (14- м).
Подставляя это значение в формулу (7.1),
получим расход греющего пара
536
Глава?. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
D = [G(c2f2 ~(<2 ~сж'2) + Сп ]
[('1-сл)(1 + ")]
(7.2)
Площадь поверхности нагрева 5 выпар-
ного аппарата определяют, используя уравне-
ние теплопередачи q = kSkt и уравнение теп-
ловой нагрузки по расходуемому пару
q = D(z'| - cKtK ) = Dr . Необходимая теорети-
ческая площадь поверхности нагрева
S = (/>)/( М/),
где S - площадь поверхности нагрева корпуса
аппарата, м2; D - расход греющего пара, кг/с;
г - теплота парообразования, Дж/кг; А/-по-
лезная разность температур в корпусе аппара-
та, °C; к - коэффициент теплопередачи корпу-
са, Вт/(м2оС);
А = 1/[(1/а1) + (^1 А]) + (§2 А2) + 0/а2)] ’
(7.3)
где eq - коэффициент теплоотдачи от греюще-
го пара стенке нагревательной трубы выпарно-
го аппарата, Вт/(м2оС); §]- толщина стенки
нагревательной трубы, м; Xj- коэффициент
теплопроводности материала стенки, Вт/(м°С);
§2^2 ~ толщина слоя накипи на поверхности
стенки нагревательной трубы, м; ^2 - коэффи-
циент теплопроводности накипи, соответст-
венно, Вт/(м°С); а2 - коэффициент теплоот-
дачи от стенки к кипящему продукту,
Вт/(м2оС).
Многокорпусная выпарная установка.
Расчет многокорпусной выпарной установки
сначала делается в первом приближении. При
этом задаются соотношения некоторых вели-
чин, затем выполняется второе приближение.
Расчет заключается в определении распределе-
ния материальных и тепловых потоков по ап-
паратам. Распределение температуры по аппа-
ратам рассчитывается при принятых (предва-
рительно) соотношениях количеств переданной
по аппаратам теплоты и коэффициентов тепло-
передачи в них; рассчитывается снижение тем-
ператур по аппаратам, полная и полезная раз-
ность температур для каждого аппарата и уста-
новки в целом. Количество выпаренной влаги,
концентрации продукта, массовые расходы
греющего пара по корпусам и площади по-
верхностей нагрева корпусов определяются из
материального баланса массы и теплового ба-
ланса.
Количество влаги, выпариваемой в аппа-
рате многокорпусной установки, определяется
так же, как для однокорпусной. Общее количе-
ство влаги равно сумме количеств выпаренной
воды в отдельных аппаратах , W2, И3 ) :
И7 = Wx + W2 + И3 .
Конечная концентрация сухих веществ
выпариваемого продукта по аппаратам опреде-
ляется следующим образом:
для первого
Ск1 =GCH/(G-^);
для второго
Ск2=ССн/(О-^-^2);
для третьего
СкЗ=ССн/(С-(Г1-^2-(Г3).
Следует отметить, что в расчете принято
следующее:
не учитываются потери теплоты от луче-
испускания и отводимой с неконденсирующи-
мися газами, а также теплоты самоиспарения
конденсата, переходящего в следующий кор-
пус;
количество вторичного пара, образующе-
гося в корпусах за счет испарения и самоиспа-
рения раствора (продукта), учитывают в расче-
те соответствующими коэффициентами.
Принимаются обозначения, в которых
индекс «н» соответствует начальному (исход-
ному) раствору, а индексы 1,2, ..., п - номерам
аппаратов установки.
cH,Ci,C2,...,c„ - теплоемкость раствора,
Дж/(кг°С);
/pi ,/р2 ,/рз температура кипения
раствора,°C;
zbz2’z3’---’zn_ энтальпия греющего пара,
Дж/кг;
zebzb2’ zb3 ’•••’ zb« “ энтальпия вторичного
пара, Дж/кг;
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ
537
ск1’ск2’скЗ’-”’скл ” теплоемкость кон-
денсата, Дж/(кг°С);
6<1^к2 А3’"-’^кл - температура конден-
сата, °C;
количество воды, вы-
париваемой в корпусах установки, кг/с;
D[, D2 Dn - расход пара, кг/с.
св - теплоемкость воды, принимают
св = const в аппаратах. Составляют тепловые
балансы для каждого из корпусов установки,
имея в виду, что количество теплоты раствора,
приходящего в каждый последующий аппарат,
равно количеству теплоты раствора, уходящего
из предыдущего аппарата. При установившем-
ся процессе и отсутствии тепловых потерь за-
писывают баланс теплоты для первого аппара-
та при температуре кипения раствора в нем /р।
и средней теплоемкости раствора q .
Составляя уравнение теплового баланса
для каждого аппарата установки и решая его
относительно Wn , находят количество выпа-
ренной влаги. Для вакуум-выпарной установки,
состоящей из п корпусов, количество выпарен-
ной влаги W в п-м корпусе
Скидки )/(/вП JJ+
+ Gci — W\ Св — ~ ~ ^п-l СВ ) (tpn-1 “ ^р/7 )/(7ви ~ cVp« •
При распределении температур по корпу-
сам определяют полную и полезную разность
температур. Полная разность температур А/
представляет разность температуры греющего
пара первого аппарата и температуры вторич-
ного пара последнего аппарата (на входе в кон-
денсатор)
А/ — /pl — tBn .
Полезная разность температур
А/п = А/ - LA,
где SA - сумма потерь разности температур во
всех аппаратах установки.
Эти потери при выпаривании обусловле-
ны физико-химическими, гидростатическими и
гидродинамическими явлениями. Потери теп-
лоты в результате физико-химических явлений
представляют разность температур кипения
раствора и чистого растворителя при одинако-
вом давлении. Она зависит главным образом от
концентрации низкомолекулярных компонен-
тов растворенных веществ. Снижение темпера-
туры вследствие гидростатического давления
обусловливает разность температур кипения в
верхнем и в среднем уровнях раствора. В рас-
четах это значение принимают 1 ...2 °C на каж-
дый аппарат в зависимости от высоты столба
жидкости. В аппаратах пленочного типа она
отсутствует.
Потери количества теплоты от гидроди-
намических явлений связаны с разностью тем-
ператур вторичного пара над раствором и в
конце паропровода и соответствуют потере
давления пара при его движении через аппарат
и в трубопроводе между аппаратами. В расче-
тах принимается снижение температуры на
0,5... 1 °C на каждый аппарат.
При распределении полезной разности
температур между аппаратами установки руко-
водствуются следующим:
в последних аппаратах установки тепло-
обмен ухудшается и коэффициент теплопере-
дачи снижается. Для того, чтобы не увеличи-
вать площадь поверхности нагрева, полезную
разность температур увеличивают от первого
корпуса к последнему;
для уменьшения площади поверхности
нагрева в корпусах, имеющих большую тепло-
вую нагрузку, обеспечивают большую разность
температур;
для аппаратов с естественной циркуляци-
ей принимают минимальную полезную раз-
ность температур не менее 6...7 °C, а для аппа-
ратов с принудительной циркуляцией 4...5 °C.
Площадь поверхности нагрева выпарного
аппарата многокорпусной установки рассчиты-
вают по уравнениям теплопередачи и по теп-
ловой нагрузке, как и для случая с одним кор-
пусом.
7.1.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПАСТЕРИЗАЦИИ
И СТЕРИЛИЗАЦИИ
Пастеризация и стерилизация - эго
процессы тепловой обработки, целью которых
является замедление или подавление жизне-
деятельности микроорганизмов, отрицательно
538
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССОБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
влияющих на санитарную безопасность пище-
вых продуктов и увеличивающих срок их реа-
лизации и хранения. Для этого продукт подвер-
гают воздействию тепловой энергии, получае-
мой от различных источников: теплоносителя
(горячая вода, водяной насыщенный пар и др.),
токов высокой частоты, ионизирующего облу-
чения, ультразвука и др. Пастеризация продук-
тов проводится при температуре до 100 °C, а
стерилизация - при 100 °C и выше. Основными
параметрами этих процессов являются темпе-
ратура и продолжительность ее воздействия на
продукт.
В зависимости от температуры и продол-
жительности ее воздействия пастеризация мо-
жет осуществляться тремя способами: 1) вы-
держкой (продолжительность воздействия теп-
лового потока с температурой пастеризации в
течение некоторого времени); 2) без выдержки;
3) их комбинацией.
В отраслях пищевой промышленности ча-
ще применяется комбинация первых двух спо-
собов. Продолжительность выдержки на прак-
тике определяется нормативными документами.
При стерилизации пищевых продуктов
осуществляется подавление всех микроорга-
низмов и их споровых образований. Ее прово-
дят в потоке с последующим фасованием и
упаковыванием продукта в стерилизованную
тару и стерилизацией продукта в таре.
Режимные параметры пастеризации и
стерилизации устанавливаются в зависимости
от вида и количества микроорганизмов в еди-
нице объема, химического состава продуктов,
условий передачи тепловой энергии, кислотно-
сти среды, а также в зависимости от геометри-
ческих размеров применяемой тары и упаковки
для продукта. При пастеризации и стерилиза-
ции герметичность тары с продуктом должна
быть обязательно обеспечена. Эти процессы
применяются в молочном производстве, при
получении фруктовых и овощных соков, мяс-
ных, рыбных и молочных консервов, пива и др.
Пастеризаторы бывают проточными и
емкостными. Проточные пастеризаторы по
конструкции бывают пластинчатыми, трубча-
тыми, «труба в трубе» и др. Емкостные пасте-
ризаторы также состоят из теплообменных
конструктивных элементов в виде обогревае-
мых теплоносителем стенок, встроенных змее-
виков и др. В качестве последних для обработ-
ки молока и молочных продуктов применяются
ванны длительной пастеризации, ванны пасте-
ризационные, резервуары и др.
Наибольшее распространение в отраслях
пищевой промышленности получили проточ-
ные пластинчатые и трубчатые пастеризаторы.
Пластинчатый аппарат имеет теплопе-
редающую пластину, конструктивной особен-
ностью которой является сложная форма ее
теплопередающей поверхности. Пластины из-
готовляют из листовой коррозионно-стойкой
стали толщиной 0,8 I * мм методом штам-
повки. Отечественное машиностроение выпус-
кает пластины ленточно-поточные с горизон-
тальными гофрами марок П-1, 11-2, П-3, П-5,
марок ПР-0,5М, ПР-0,5Е и др.
На рис. 7.4 показан пластинчатый аппарат
с двусторонним расположением секций для
пастеризации молока. В главной стойке аппа-
рата заделаны концы верхней и нижней гори-
зонтальных штанг. На верхней горизонтальной
штанге подвешены теплообменные пластины,
образующие секции рекуперации, пастериза-
ции и охлаждения. Между секциями рекупера-
ции и пастеризации установлены разделитель-
ные плиты, на которых расположены штуцера
для ввода и вывода рабочих сред. Сжатие пла-
стин осуществляется нажимной плитой и за-
жимным устройством с целью обеспечения
герметичности секций аппарата.
Пастеризаторы трубчатого типа по
конструкции представляют собой кожухотруб-
ные теплообменники. Трубчатый пастеризатор
для сливок имеет два цилиндра-
теплообменника- верхний 9 и нижний S, обог-
реваемые паром (рис. 7.5). Длина цилиндров
1200 мм, диаметр по обшивке 350 мм. В торцы
цилиндров вварены трубные доски, в которые
ввальцовано по 24 трубы. Наружный диаметр
труб 30 мм, внутренний 26...27 мм. Трубные
доски и трубы изготовлены из коррозионно-
стойкой стали марки 12Х18Н10Т. В торцах
трубных досок выфрезерованы каналы, соеди-
няющие трубы попарно. Первая (нижняя) и
последняя (верхняя) трубы выведены. В торцах
цилиндров установлены плотно привернутые
крышки с резиновыми уплотнениями, создаю-
щие герметичность и изолирующие каналы
один от другого.
Сливки во время пастеризации проходят
последовательно по 48 трубам нижнего и верх-
него цилиндров и нагреваются до температуры
пастеризации паром, который поступает в
межтрубное пространство цилиндров.
В даровых рубашках цилиндров при вхо-
де имеются металлические пластины - отража-
тели пара. На паропроводе перед входом пара в
рубашки цилиндров установлен манометр.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ
539
Рис. 7.4. Пластинчатый пастеризатор с двусторонним расположением секций:
/ - ввод пастеризованного молока в секцию водяного охлаждения; 2 - вывод пастеризованного молока из
секции пастеризации для подачи его в выдерживатель; 3 - ввод молока в секцию для рекуперации после
центробежного молокоочистителя; 4 - нажимная плита; 5 - ножка; 6 - зажимное устройство; 7 - первая секция
рекуперации; 8- вывод молока из первой секции рекуперации для подачи его к центробежному
молокоочистителю; 9- вторая секция рекуперации; 10- ввод молока во вторую секцию рекуперации после
вы держи вателя; 11 - секция пастеризации; 12 - главная стойка; 13 - секции охлаждения; 14 - вывод
пастеризованного охлажденного молока; 15 - вывод рассола; 16 - ввод сырого молока; 17 - вывод молока из
второй секции рекуперации для подачи его в секцию водяного охлаждения; 18 - вывод горячей воды;
19 - вывод холодной воды; 20- разделительная плита
Рис. 7.5. Трубчатый пастеризатор для сливок:
/ - насос; 2 - молокопровод; 3 - термометр; 4 - манометр; 5 - запорный вентиль; 6,7 - конденсатоотводчики;
8,9 - цилиндры; 10- подставка
540
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССОБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Рис. 7.6. Скребковый пастеризатор:
а - общий вид; б - схема обработки продукта; / - камера нагрева; 2 - ротор; 3 - скребки; 4 - пальцы;
5 - продукт; 6 - корпус; 7 - кожух; 8 - теплоизоляция; 9 - подшипниковый узел; 10, 14 - патрубки загрузки
и выгрузки продукта; 11 - гидропривод; 72,13 - патрубки входа и выхода теплоносителя;
75 - торцовое уплотнение
Конденсат из межтрубного пространства верх-
него и нижнего цилиндров автоматически уда-
ляется через конденсатоотводчики б и 7.
Для пастеризации рецептурной смеси
мясных консервов детского питания применя-
ется скребковый пастеризатор (рис. 7.6). Внут-
ри цилиндрической камеры нагрева 7 находит-
ся ротор 2 со скребками (ножами) 3, которые
установлены подвижно на пальцах, приварен-
ных к ротору. Такая конструкция скребков
позволяет им при вращении ротора отклонять-
ся к теплопередающей поверхности и снимать
(счищать) с нее слой нагретого продукта.
Ротор установлен в двух подшипниковых
узлах 9 с торцовыми уплотнениями 75, исклю-
чающими попадание продукта в подшипники.
Продукт нагревается в кольцевом зазоре, обра-
зованном внутренней поверхностью камеры и
ротором со скребками. Теплота передается
продукту от теплоносителя, подаваемого в
паровую рубашку через теплопередающую
поверхность камеры. В качестве теплоносителя
используется горячая вода или пар. Для враще-
ния ротора со скребками служит гидропривод
77. Загрузка, выгрузка продукта, а также вход и
выход теплоносителя осуществляются по пат-
рубкам. Аппарат устанавливается вертикально.
Расчет пастеризаторов связан с опреде-
нием площади поверхности теплопередачи,
гидравлического сопротивления аппарата, рас-
хода теплоты и пара на пастеризацию. Порядок
расчета рассмотрим на примере пастеризаторов
для молочных продуктов. Площадь поверхно-
сти теплопередачи пластинчатой пастеризаци-
онно-охладительной установки определяют по
секциям:
S = [Ge(/к - /н )]/(кД/ср ),
где G - производительность аппарата, кг/с; с -
удельная теплоемкость продукта, Дж/(кг°С);
/н,/к- соответственно начальная и конечная
температуры продукта, °C; к - общий коэффи-
циент теплопередачи, Вт/(м2 оС); Д/Ср- сред-
ний температурный напор, °C.
Для расчета составляют общую схему ап-
парата и график изменения температур обраба-
тываемого продукта и рабочих сред (тепло-
хладоносителя по секциям).
Значение Д/ср во всех секциях опреде-
ляют по формуле
~ (^б — )/Е^З 1§(Д^б/^м )] ’
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ
541
где , А/м - наибольшая и наименьшая раз-
ность между температурами теплоносителей на
входе и выходе продукта из секции аппарата,
°C.
Допустимое гидравлическое сопротивле-
ние определяют методом Н.В. Барановского, и
его значением предварительно задаются:
^Аюл — 2Л/?рек + ^Рп + + Дрл ,
где Дрпол- полное гидравлическое сопротив-
ление аппарата, Па; Дррек, Арп, Арв, Арл -
гидравлическое сопротивление в секциях соот-
ветственно рекуперации, пастеризации, охлаж-
дения водой и ледяной водой, Па.
Ориентировочно для четырехсекционно-
го аппарата рекомендуется Арпол = 0,5 МПа.
Допустимое гидравлическое сопротивление в
каждой секции пропорционально площади
поверхности ее теплопередачи:
2АРрек • Арп • Арв • Арл ^рек • *$п • *$в • *$л •
Соотношение площадей поверхностей
где осп - коэффициент теплоотдачи от стенки к
продукту; для молока а = 5000 Вт/(м2оС);
/ср ст- средняя температура стенки в секции,
°C; определяется как среднеарифметическое
значение от начальных и конечных разностей
температур продукта и рабочей среды в сек-
ции; Арс- гидравлическое сопротивление сек-
ции, Па; сп- теплоемкость продукта,
Дж/(кг°С); рп - плотность продукта, кг/м3;
£с- коэффициент гидравлического сопротив-
ления секции.
Для ленточно-поточных пластин
-0 25
= 11,2 Re ’ , для сетчато-поточных пла-
стин =15Re-0,25.
Общий коэффициент теплопередачи оп-
ределяется по формуле (7.3). Значения коэф-
фициентов теплоотдачи oq «2 определяются
по следующим формулам [3] для ленточно-
поточных пластин
теплопередачи секций определяется с помо-
щью равенства
*$рек • • *$в • $л ~
~ ( ^рек Арек ) : Ап ) : (^в Ав) ' ( ^л Ал) ’
где FpeK, Fn, FB, Л । симплексы температур-
ных режимов в секциях аппарата;
^рек’^п’^в’^л ~ коэффициенты теплопереда-
чи по секциям, Вт/(м2оС).
Симплекс температурного режима опре-
деляется по формуле
F = ~(би/А^ср ) •
Значения общих коэффициентов теплопере-
дачи рекомендуется ориентировочно принимать:
£реК =2900 Вт/(м2оС); £п =2900 Вт/(м2 оС);
=2320 Вт/(м2 оС); £л =2100 Вт/(м2 оС).
Максимально допустимую скорость по-
тока продукта в каналах аппарата по всем сек-
циям определяют по формуле
)/^] - ) Рп £с ] ’
0С1(0С2) =(^nM)^1Re°,7x
г* 0 43 ! г» /г* \0,25
хРг ’ (Рг]/Рг2) ;
для сетчато-поточных пластин
а, (а2) =(Xn/<Z,)O, !35Re°’73x
xPr°’43(Pr1/Pr2)0’25;
где Хп - коэффициент теплопроводности про-
дукта Вт/(м2 оС); d3 - эквивалентный диаметр
канала, м; Re- критерий Рейнольдса; Рг-
критерий Прандтля; РГ] и Рг2 - критерии
Прандтля соответственно для ядра потока и
пристенного слоя; Re = wnd3/v ; и - коэффи-
циент кинематической вязкости, м2/с.
Эквивалентный диаметр, мм,
<7Э =2bh/( b+ti),
где b - рабочая ширина пластины, м; h - рас-
стояние между пластинами, м.
542
Глава?. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССОБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Скорость потоков холодной и ледяной
воды принимают равной скорости продукта:
^х.в = •
Скорость циркулирующей горячей воды
принимают в 2 раза выше, чем продукта:
W'r.B = 2и'п •
При расчете критерия Прандтля кинема-
тическую вязкость D, теплоемкость сп, теп-
лопроводность Хп определяют при средних
значениях температуры молока и рабочих жид-
костей в каждой секции [5].
Число пластин в секции рассчитывают в
зависимости от общей площади
n = S/f,
где f - площадь поверхности теплообмена
одной пластины, м2.
Число пакетов в секции
N = п/Ъп,
где т - число параллельных каналов. Если при
расчете значение N оказывается дробным, то
его необходимо округлить до целого числа.
Гидравлическое сопротивление одной
секции
Ар = (^/^)(р^/2),
где £ - коэффициент гидравлического сопро-
тивления; - приведенная высота пластины,
м; = f /Ъ \ Ь — ширина пластины, м; f -
площадь рабочей поверхности теплообмена
пластины, м2.
Общее гидравлическое сопротивление
Дробщ можно выразить как сумму гидравли-
ческих сопротивлений всех секций:
АРобщ = ^Дррек + Арп + Арв + Ар л •
Сравнивая величину Дробщ и допусти-
мое гидравлическое сопротивление Дрпол
определяют расхождение результатов расчета.
Для расчета трубчатой пастеризационной
установки составляют зависимость изменения
температур обрабатываемого продукта и рабо-
чих сред по секциям. Подробная методика рас-
чета этого оборудования приведена в специ-
альной литературе [3].
Стерилизаторы. В этих аппаратах сте-
рилизация может осуществляться в потоке с
последующей фасовкой и упаковкой в стерили-
зованную тару и в таре. В первом случае при-
меняют стерилизационно-охладительные уста-
новки, а во втором - стерилизаторы-охладители.
Стерилизационно-охладительные уста-
новки бывают пластинчатого, трубчатого типа
и пароконтактные (прямой контакт пара с про-
дуктом) и применяются для обработки молока,
соков и других жидких пищевых продуктов.
Пластинчатые и пароконтакзные установки
применяются для маловязких пищевых про-
дуктов, а трубчатые - как для маловязких, так
и высоковязких.
В установке с аппаратом пластинчатого
типа (рис. 7.7) молоко из бака насосом подает-
ся в рекуперативную секцию III пластинчатого
аппарата 3, где оно нагревается горячим моло-
ком до 66 °C. Далее насосом 4 высокого давле-
ния молоко подается в секцию 7, где нагревает-
ся до 13 °C и выдерживается 4 с. Из выдержи-
вателя молоко направляется в секцию рекупе-
рации 77, где охлаждается водой до 70 °C, а
затем - в секцию рекуперации ///, где охлажда-
ется сырым молоком до температуры 20 °C.
Горячая вода для нагревания молока в
стерилизаторе вначале поступает из бачка ак-
кумулятора в пароконтактный нагреватель 72,
а затем - в стерилизатор 5 для нагревания мо-
лока при температуре 140 °C. Из стерилизатора
вода направляется в секции рекуперации аппа-
рата IV и V и, охлажденная до 63 °C, возвраща-
ется в аккумулятор.
В установках трубчатого типа нагрев
продукта до температуры стерилизации осуще-
ствляется последовательно как и в пластинча-
том стерилизаторе.
Пароконтактные стерилизационные уста-
новки изготовляют с нагревателями инжекци-
онного типа (пар в продукт) и инфузионного
(продукт в пар). На рис. 7.8 приведены схемы
таких нагревателей для молока. Молоко, по-
догретое до температуры 75 °C, под высоким
давлением поступает в нагреватель инжекци-
онного типа (рис. 7.8, а). Здесь смешивается с
паром и нагревается до 140 °C. При смешива-
нии с паром молоко стерилизуется и разбавля-
ется конденсатом. Из нагревателя молоко по-
ступает в вакуумную камеру (деаэратор), в
которой вскипает, и из него удаляется вода,
внесенная конденсатом. Температура молока
на выходе из вакуумной камеры понижается до
76 °C. Затем молоко направляют на гомогени-
зацию и охлаждение до 20 °C.
В нагревателе инфузионного типа моло-
ко вводится в камеру, заполненную паром
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ
543
Рис. 7.7. Схема стерилизационно-охладительной установки пластинчатого типа:
/ - промежуточный бак; 2 - насос для молока; 3 - теплообменник-рекуператор; 4 - насос высокого давления
для молока; 5 - стерилизатор; 6 - выдерживатель; 7 - гомогенизатор; 8 - резервуар для асептического
хранения молока; 9- пульт управления; 10- бачок-аккумулятор; 11 - насос горячей воды;
12 - пароконтактный нагреватель воды
Рис. 7.8. Пароконтактные нагреватели:
а - инжекционного типа; 1 - корпус (нижняя часть); 2 - отверстие для молока; 3 - уплотнение; 4 - кольцевой
канал для молока; 5 - корпус (верхняя часть); 6 - патрубок для молока; 7 - стержень; 8 - регулировочная
гайка; 9 - патрубок ввода пара; 10 - канал для пара; 11 - камера смешения; б - инфузионного типа; / - подвод
пара в нагреватель; 2 - подвод молока; 3 - подвод моющего раствора; 4 - выпуск воздуха;
5 - форсунка для молока; 6 - камера; 7 - вывод стерилизованного молока
544
Глава?. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССОБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
(рис. 7.8, б) (перед подачей молока из камеры
выводится воздух через отдельный патрубок),
смешивается с ним и нагревается до темпера-
туры стерилизации.
Для повышения эффективности распыле-
ния молока в камере применяют форсунки раз-
личного типа (центробежные, струйные и т.д.).
Стерилизаторы могут быть периодиче-
ского, полунепрерывного и непрерывного дей-
ствия, открытые, работающие при атмосфер-
ном давлении, и закрытые, работающие при
давлении выше атмосферного.
К открытым стерилизаторам относятся
ванны, роторные аппараты и аппараты с лен-
точным конвейером. В таких стерилизаторах
обрабатывают консервы, имеющие повышен-
ную кислотность, томатный сок, томатную
пасту, фруктовые компоты и др.
К закрытым аппаратам относятся авто-
клавы, роторные, гидростатические стерилиза-
торы и стерилизаторы с пластинчатым конвей-
ером. В этих аппаратах стерилизуют мясные,
молочные, овощные и рыбные консервы. В
закрытых аппаратах стерилизация осуществля-
ется двумя способами:
1) в водяном паре без противодавления и
с воздушным противодавлением;
2) в воде с воздушным либо водяным
противодавлением.
Наибольшее применение на консервных
заводах получили закрытые стерилизаторы.
В мясной отрасли применяют специаль-
ные аппараты для стерилизации условно год-
ного мяса. Автоклавы периодического дейст-
вия изготовляют двух типов: вертикальные и
горизонтальные с сетками и без сеток, корзин
для банок. Горизонтальные автоклавы приме-
няют для стерилизации консервов в жестяной
таре, а вертикальные - для всех видов консер-
вов как в жестяной, так и в стеклянной таре.
Вертикальные автоклавы изготовляют одно-,
двух- и четырехсетчатые.
Вертикальный двухсетчатый автоклав
(рис. 7.9, а) представляет собой цилиндриче-
ский корпус I со сферическим днищем, обору-
дованный откидывающейся крышкой 4 с про-
тивовесом 2. Герметичность крышки достига-
ется прижимным усилием гаек и наличием
прокладки, уложенный в круговой паз.
Греющий пар подается через барботер,
установленной в придонной части. Над барбо-
тером располагаются корзины с банками. Для
контроля за режимом пастеризации установле-
ны термометры и манометры, подключенные к
сосуду. Он соединен с циркуляционной трубой,
связанной с внутренней полостью автоклава. В
верхней крышке автоклава расположены от-
верстия для установки предохранительного
клапана, в донной - патрубок спуска конденса-
та. Для регулирования режима работы автокла-
вов, в которых консервы стерилизуют насы-
щенным водяным паром без противодавления,
применяют пневматические самопишущие
регуляторы температуры с реле времени.
В бессеточном автоклаве (рис. 7.9, б)
корзины отсутствуют. Банки в автоклав, на-
полненный водой, загружают навалом. Герме-
тичное соединение крышки с горловиной авто-
клава производится байонетным затвором, а
затяжка его осуществляется малым пневмоци-
линдром. Открытие и закрытие крышки произ-
водится большим пневмоцилиндром 2. К ци-
линдрической части автоклава приварена каме-
ра, в которой установлены контрольно-измери-
тельные приборы управления аппаратом.
После заполнения автоклава банками,
крышка его закрывается. Регулирование тем-
пературы в аппарате производится путем изме-
нения подачи в него пара и холодной воды.
Давление регулируется подачей сжатого воз-
духа. При стерилизации в горячей воде давле-
ние регулируется выпуском горячей воды из
автоклава. После окончания стерилизации бан-
ки выгружаются через нижнюю горловину в
ванну с водой. После разгрузки нижняя крыш-
ка закрывается и автоклав готов к новому цик-
лу работы.
Стерилизаторы непрерывного действия
по сравнению с автоклавами имеют более вы-
сокую производительность, поточность и не-
прерывность процесса, меньшую продолжи-
тельность процесса благодаря постоянному
равномерному теплообмену при движении
банок и др.
Схема вертикального гидростатического
стерилизатора показана на рис. 7.10, а. Работа
этого аппарата основана на принципе уравно-
вешивания давления в камере стерилизации с
помощью гидравлических шлюзов. Банки кон-
сервов загружают в банконосители замкнутого
непрерывно движущегося цепного конвейера,
который подает их в шахту водяного (гидро-
статического) затвора-шлюза. После прогрева
банки поступают в камеру парового стерилиза-
тора, в котором они нагреваются до 120 °C,
затем попадают в камеру 3 первичного охлаж-
дения, в которой их температура снижается до
75...80 °C, и в камеру 4 дополнительного водя-
ного охлаждения до 40...50 °C. После чего их
выгружают.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ
545
15 5)
Рис. 7.9. Автоклавы:
а - вертикальный двухсеточный; 1 - корпус; 2 - противовес; 3 - гнездо термометра; 4 - крышка; 5 - кран;
6 - барашковые гайки; 7 - корзины с банками; 8 - циркуляционная трубка; 9 - промежуточный сосуд
подключения манометра и термометра; 10- уплотнительная прокладка; / / - круговой паз; 12 - барботер;
13 - днище; б - бессеточный ; / - верхняя крышка; 2 - пневмоцилиндр; 3 - корпус; 4 - лапы;
5 - отбойная пластинка; 6 - нижняя крышка; 7- карман-камера; 8 - предохранительный клапан
18 — 8434
546
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССОБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Разгруз-
ка банок?
Пар
120°С
113° С
Слив
воды
Загрузкд
банок
а)
_ ВоЗст
77ГУ/У 777’^7
Рис. 7.10. Стерилизаторы непрерывного действия:
а - гидростатический; 1 - камера подогрева; 2 - камера стерилизации; 3 - камера первичного охлаждения;
4 - камера дополнительного охлаждения; 5 - бассейн охлаждения; 6 - механизм загрузки и выгрузки;
7 - линия слива воды в канализацию; 8 - цепной конвейер; б - роторный трехбарабанный стерилизатор;
1 - третий барабан; 2 - второй барабан; 3 - первый барабан; 4 - конвейер
Трехбарабанный стерилизатор роторного
типа (рис. 7.10, б) работает следующим обра-
зом. Консервные банки поступают по конвейе-
ру в загрузочный люк барабана. В первом ба-
рабане 3 консервы прогреваются до 60...75 С
и при помощи герметичного клапана поступа-
ют во второй барабан 2 для стерилизации.
Температура и давление внутри барабана уста-
навливаются в соответствии с технологией. В
случае необходимости противодавление соз-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ
547
дают сжатым воздухом. По окончании стери-
лизации с помощью второго герметичного кла-
пана консервы подают в третий барабан 1 на
охлаждение водой до температуры 40 °C.
В стерилизаторах роторного типа консер-
вы обрабатывают под давлением, превышаю-
щем давление насыщенных паров воды. При-
меняют аппараты с раздельным охлаждением:
в начале под давлением выше атмосферного, а
затем под атмосферным. Компоновка рабочих
цилиндров (барабанов) может быть различной.
Аппараты могут состоять:
из двух корпусов - стерилизатора и охла-
дителя, работающего под атмосферным давле-
нием и выше;
трех корпусов - стерилизатора и двух ох-
ладителей, один из которых работает под дав-
лением выше атмосферного, а второй - под
атмосферным;
четырех корпусов - подогревателя, сте-
рилизатора и двух охладителей для раздельно-
го охлаждения.
Расчет стерилизационно-охладительной
установки пластинчатого типа выполняется
по методу расчета пластинчатой пастеризаци-
онной установки. Основным элементом, под-
лежащим определению, является площадь по-
верхности теплопередачи. Особенностью рас-
чета является определение коэффициента теп-
лоотдачи 0С| от нагревающей среды к стенке.
Нагревание молока до температуры сте-
рилизации осуществляется насыщенным водя-
ным паром, который в процессе теплообмена
конденсируется и отдает теплоту парообразо-
вания (конденсации).
Для определения cq в этих условиях ре-
комендуется применять следующие формулы
[2, 3]:
для ленточно-поточной пластины П-1,
П-2 или П-3 при температурном напоре
А/ > 10 °C и при ReK - 150... 1000
NuK = 237 Re®’6 Pr®’4 ;
NuK=al£nAK; Ке = ?Л1АРк^к ;
Р*К = скикРк Ак ’
для ленточно-поточной пластины П-5 при
температурном напоре между паром и холод-
ной стенкой Д/ > 10 °C и при Re = 150... 1000
NuK = 376 Re®’6 Pr®’4;
для сетчато-поточных пластин ПР-05Е
при температурном напоре между паром и
холодной стенкой Д/ > 10 °C
NuK = 0,375 • 10“3 (Ga Pr Л?)0,55 (рп /рк )*’*7,
где Ga = : NuK = Дк ;
К=г/(скЛГ);
для сетчато-поточных пластин ПР-05М
при Д/ > 10 °C
Nu=240Re®’7 Ргк0’4.
где ОС|- коэффициент теплоотдачи при кон-
денсации пара, Вт/(м2 оС); Ап - приведенная
длина канала, м; Гп « f /Ь ; f - рабочая пло-
щадь поверхности пластины, м2; b - ширина
пластины, м; Хк - коэффициент теплопровод-
ности конденсата, Вт/(м °С); q - удельная теп-
ловая нагрузка, Вт/м2; г- удельная теплота
конденсации, Дж/кг; рк - плотность конденса-
та, кг/м3; ик - коэффициент кинематической
вязкости конденсата, м2/с; ск- удельная теп-
лоемкость конденсата, Дж/(кг °С); <7Э- экви-
валентный диаметр канала, м; Ga - критерий
Галилея; К - критерий конденсации; индекс
«к» - параметры конденсата.
Расчет трубчатых стерилизационных ус-
тановок приведен в специальной литературе
[2, 3].
Тепловым расчетом автоклава устанавли-
ваются расходы пара на стерилизацию и охла-
ждающей воды. Расход пара за один цикл ра-
боты автоклава рассчитывают отдельно для
первого периода, когда температура в автокла-
ве повышается до температуры стерилизации,
и для второго периода, когда в автоклаве под-
держивается постоянная температура стерили-
зации. В первый период работы автоклава теп-
ловая энергия затрачивается на нагрев аппара-
та, сеток, банок, крышек, продукта и воды (при
стерилизации в воде) и на компенсацию потерь
теплоты в окружающую среду путем лучеис-
пускания и конвекции. Расход теплоты за пер-
вый период работы автоклава определяется
следующим образом.
Расход теплоты на нагрев автоклава
18*
548
Глава?. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССОБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
0 = ™\с\ ('с-'1Ь
где 7И| - масса автоклава, кг; q - теплоемкость
стали, Дж/(кг°С); начальная температура
автоклава, °C; tc - температура стерилизации,
°C.
Расход теплоты на нагрев сеток
Qi = т2с\ ('с-'гЬ
где ^2 - масса сеток, кг; /2 ~ температура сет-
ки, °C; приравнивается температуре воздуха.
Расход теплоты на нагрев банок
Оз = fn3c3(tc-t3),
где С3 - теплоемкость материала тары,
Дж/(кг °С); W3- масса банок, кг; /3- началь-
ная температура банок, °C; принимается рав-
ной температуре продукта.
Расход теплоты на нагрев продукта
а=w4c4(zc-/3),
где с4- теплоемкость продукта, Дж/(кг°С);
/г?4 - масса продукта, кг.
Расход теплоты на нагрев воды в авто-
клаве
Об = W5C5 (^с-/5 ) ’
где - масса воды, кг; /5- начальная темпе-
ратура воды в автоклаве, °C; - теплоемкость
воды, Дж/(кг °С).
Потери теплоты в окружающую среду
вб ~ (^ст “) ’
где Sa - площадь поверхности автоклава в м2;
т - продолжительность подогрева, с; и /в-
температура соответственно наружной стенки
изоляции и воздуха, °C; ад- суммарный ко-
эффициент теплоотдачи, Вт/(м2 оС).
Общий расход теплоты
£?общ = Q + Qi + Оз + (?4 + Q5 + Об •
Расход пара в первый период работы ав-
токлава
D ZK ) ’
где i - энтальпия пара, Дж/кг; zK - энтальпия
конденсата, Дж/кг.
Во второй период работы автоклава (при
постоянной температуре стерилизации) тепло-
вая энергия расходуется только на компенса-
цию потерь теплоты в окружающую среду пу-
тем конвекции и лучеиспусканием в количест-
ве
07 = (jci — ^в ) ’
где тс- продолжительность стерилизации, с;
ад- суммарный коэффициент теплоотдачи
Вт/(м2 оС); - температура стенки во второй
период работы, °C.
Расход пара во второй период работы со-
ставит
О2=27/('-'к)-
Общий расход за цикл работы автоклава
0эбщ — 0 + ^2 •
Расход воды для охлаждения консервов
зависит от количества теплоты, отдаваемой
автоклавом и консервами при охлаждении их
до температуры, установленной для этого вида
консервов; обычно она составляет 40...50 °C.
Расход воды можно определить по следующей
формуле
IF = {2, ЗШ4С4 — /нв )/(/к — /нв)] +
+т с In— /нв — /нв с ,
где tc~ начальная температура продукта или
температура стерилизации, °C; /нв - начальная
температура воды, °C; (к - конечная темпера-
тура продукта, °C; tK - конечная температура
воды, автоклава, сеток и банок;
= /к ~ 5 = 45 - 5 = 40 °C; т - масса авто-
клава, банок, сеток и конденсага, кг; с - теп-
лоемкость материала автоклава, банок, сеток и
конденсата, Дж/(кг °С); с = (т'сп + ;
тк - масса конденсата в автоклаве, кг.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ
549
7.1.4. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ВАРКИ,
ЗАПЕКАНИЯ И КОПЧЕНИЯ
Оборудование для варки. Варка - тепло-
вая обработка пищевых продуктов до состояния
кулинарной готовности в воде, водяным насы-
щенным паром или смесью пара и воздуха при
температуре не выше 100 °C при давлении ок-
ружающей среды и выше, под воздействием
электромагнитного поля, токами СВЧ и др.
Для варки пищевых продуктов применя-
ют оборудование периодического (котлы, ван-
ны, камеры) и непрерывного (бланширователи,
термокоагуляторы и др.) действия.
Варку в воде проводят в котлах (паровых,
электрических) различной конструкции с за-
грузкой и выгрузкой вручную и специальными
устройствами с опрокидывающимся резервуа-
ром, вертикальных и горизонтальных.
.Котел Г2-ФВА (рис. 7.11, а) с опрокиды-
вающимся резервуаром и рубашкой опирается
на стойки 5 и 9 через цапфы 2 и 13, лежащие в
подшипниках. К цапфам подсоединены трубы
для подвода пара в рубашку и отвода конден-
сата, поступающего по трубе. На цапфу надето
червячное колесо, вращением которого при
помощи маховика 8 червяка поворачивают
резервуар.
Котел типа «Вулкан» (рис. 7 11,6) имеет
резервуар / с коническим щищем и рубашку.
Сверху он закрыт откидной крышкой б, урав-
новешенной противовесом 8. Рубашка опира-
ется на стойки. Пар в рубашку поступает через
вентиль 10, и содержимое котла сливается че-
рез кран; вода поступает в резервуар через тру-
бу 9, конденсат отводится через трубу 11. Для
снижения давления в котле служит патрубок,
отводящий пар. Рубашка котла имеет клапаны
для продувки и предохранительный, а резерву-
ар - предохранительный клапан, исключающий
образование внутри вакуума.
Рис. 7.11. Варочные котлы
550
Глава?. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССОБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Рис. 7.11. Варочные котлы (продолжение):
а - Г2-ФВА; 7 - резервуар; 2,13 - цапфы; 3,12 - подшипники; 4 - труба отвода; 5,9 - стойки;
6 - труба вывода конденсата; 7 - рубашка; 8 - маховик; 10- стойка-червяк; 7 7 - труба подвода пара;
14- червячное колесо; б - типа «Вулкан»; 7 - резервуар; 2 - стойка; 3 - днище; 4 - кран; 5 - рубашка;
6 - крышка; 7 - патрубок; 8 - противовес; 9 - труба; 10 - вентиль; / / - конденсатная труба;
в - К7-ФВЗ-Е; 7 - дно; 2 - корпус; 3 - крышка; 4 - перегородка; 5 - рычаг; 6 - сборник бульона;
7 - электроталь; 8 - захват; 9 - корзина
Котел К7-ФВЗ-Е для варки субпродуктов,
окороков в мясной отрасли (рис. 7.11, в) пред-
ставляет собой прямоугольный резервуар, под
которым расположен слой теплоизоляции. По-
середине котла на вертикальных внутренних
стенках закреплена перегородка 4, разделяю-
щая его на две части и служащая направляю-
щей для корзин. Крышка открывается и закры-
вается с помощью рычажно-винтовой системы,
смонтированной с правой стороны котла.
Сборник бульона 6 - цилиндрическая ем-
кость с крышкой, выполненная из коррозион-
но-стойкой стали. Для наполнения бульоном и
его слива в корпусе сборника предусмотрены
отверстия с патрубками.
В котел электроталью 7 устанавливают
корзины с субпродуктами, заливают воду и
подают пар через барботер. При достижении
заданной температуры внутри котла начинает-
ся варка. После ее окончания бульон с жиром
частично сливают в сборник, открывая вентиль
на сливном трубопроводе.
Аппарат для варки непрерывного дейст-
вия (рис. 7.12) представляет ванну 2 с цилинд-
рическим днищем и крышкой. Внутри ванны
вращается шнек 4, который перемещает в про-
цессе варки кусковое сырье от места загрузки к
месту выгрузки. Ванна заполняется на 70 %
горячей водой, которая подогревается острым
паром, выходящим из барботера, расположен-
ного в нижней части ванны. Ванна оборудова-
на системой рециркуляции бульона. Процесс
варки бульона контролируется терморегулято-
ром и индикатором температуры.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ
551
Рис. 7.12. Аппарат для варки непрерывного действия:
1 - привод; 2 - ванна; 3 - крышка; 4 - шнек; 5 - отверстия выгрузки; 6 - барботер; 7 - дно
При работе варочного котла теплота рас-
ходуется на нагрев аппарата, воды, продукта,
испарение влаги с открытой поверхности воды,
а также теряется в окружающую среду.
Оборудование для запекания пищевых
продуктов. Этот процесс проводят продуктами
сгорания газа или горячим воздухом при тем-
пературе 80...280 °C в мясной, рыбной и дру-
гих отраслях пищевой промышленности. По
сравнению с варкой в воде при запекании по-
тери массы меньше, а выход готовых продук-
тов больше. Они обладают лучшим вкусом,
ароматом и имеют более нежную консистен-
цию. Запекание продуктов осуществляется в
коптильных печах, электрических шкафах,
ротационных печах, а охлаждение запеченных
продуктов - в охладителях различной конст-
рукции.
Ротационная печь предназначена для за-
пекания мясных хлебов, буженины, карбонада
и других изделий без оболочки, стерилизации
условно годного мяса (рис. 7.13). Она пред-
ставляет собой термоизолированную цилинд-
рическую камеру, закрепленную на опоре.
Стенки камеры трехслойные: два внешних
слоя - облицовка из коррозионно-стойкой ста-
ли, а внутренний - термоизоляция. В камере
имеется проход для загрузки и выгрузки про-
дукции с подъемной дверцей с противовесом и
проход с отражателем для подачи горячего
воздуха, получаемого при сгорании в горелках.
Продукт подают на люльки 10 ротора, диски
которого установлены на валу и соединены
между собой стержнями, несущими люльки.
Электродвигатель 3 и редуктор 2 смонтирова-
ны на стойке, прикрепленной к каркасу печи.
Газы покидают рабочую зону через трубу с
задвижкой.
Продукт в формах или лотках, установ-
ленных на люльках ротора, непрерывно пере-
мещается в камере в потоке паровоздушной
смеси. Из камеры воздух по отсасывающим
воздуховодам поступает в коллектор, откуда
вентилятором засасывается и направляется на
нагревательные элементы, а затем по проме-
жуточному воздуховоду - в центральный рас-
пределительный воздуховод и дальше к про-
дукту. Для увлажнения среды используют
острый пар.
Расчет оборудования для варки и запе-
кания. Основной определяемый параметр -
расход теплоносителя, получаемый из уравне-
ния теплового баланса, которое в общем виде
имеет вид
Q = Q\+Qi+- + Q^
где Q\, Q2,Qn - расход теплоты нагрева
продукта аппарата и потери в окружающую
среду, в Вт для оборудования непрерывного
действия и в Дж для оборудования периодиче-
ского действия.
552
Глава?. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССОБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Рис. 7.13. Ротационная печь:
/ - дверь; 2 - редуктор; 3 - электродвигатель; 4 - стойка; 5 - вал; 6 - стержень; 7 - труба; 8 - задвижка;
9 - камера; 10 - люлька; 11 - горелка; 12 - опора; 13 - отражатель; 14 - диск; 15 - противовес
При расчете теплоты, расходуемой на ис-
парение влаги с открытой поверхности воды в
варочном котле, можно считать, что с 1 м2/ч
испаряется 30...40 кг влаги. Если аппарат за-
крыт крышкой, то теплота на испарение воды
не расходуется. Количество теплоты, расхо-
дуемой с открытой поверхности,
Q\ = mS\rx,
где 5| - площадь открытой поверхности воды,
м2; г - удельная теплота испарения, Дж/кг; т -
продолжительность тепловой обработки, с;
определяется нормативными технологически-
ми документами; для оборудования непрерыв-
ного действия т = 1 .
При расчете оборудования для запекания
расход теплоты на испарение
й = тгт;
расход теплоты на нагрев продукта
Q = mc(tK — /н ),
где т - масса нагреваемого продукта, в кг для
оборудования периодического действия и в
кг/с для оборудования непрерывного дейст-
вия; с - удельная теплоемкость продукта,
Дж/(кг °С); /н,/к-соответственно начальная и
конечная температуры продукта, °C.
Расход теплоты, отдаваемой в окружаю-
щую среду за счет конвекции и лучеиспуска-
ния, определяют по формуле
£?П — (^СГ “ /в ) ’
где S - площадь поверхности нагрева аппара-
та, м2; а- осредненный суммарный коэффи-
циент теплоотдачи, Вт/(м2 оС); /ст,/в - темпе-
ратура соответственно поверхности внешней
стенки аппарата и окружающего воздуха, °C.
Необходимое количество теплоносителя
(воздуха) при запекании продуктов определяют
по аналогии с расчетом количества газов при
копчении.
Площадь поверхности нагрева находят из
уравнения теплопередачи
£?общ = *$^А/т >
где к - коэффициент теплопередачи через
стенки аппарата, Вт/(м2 оС); А/ - средняя раз-
ность температур теплоносителя и среды, вос-
принимающей теплоту, °C.
Объем аппарата (ванны или камеры) при-
нимают пропорционально объему разовой за-
грузки сырья (для оборудования периодическо-
го действия) или объемной производительно-
сти (для оборудования непрерывною дейст-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ
553
вия). Коэффициент пропорциональности опре-
деляют по нормативным данным.
Оборудование для копчения. Копче-
ние - тепловая обработка пищевых продуктов
коптильными веществами, получаемыми в
виде коптильного дыма в результате неполного
сгорания древесины. Продукт при копчении
претерпевает изменения, связанные не только с
воздействием коптильных веществ, но и с тем-
пературным режимом и продолжительностью
обработки. Для получения дыма используют
следующие породы древесины (в порядке убы-
вающей технологической ценности): бук, дуб,
березу, тополь, ольху, осину. Применение
хвойных пород деревьев не рекомендуется из-
за наличия в них смол, а березу можно исполь-
зовать только без бересты. Кроме обработки
коптильным дымом копчение проводят путем
нанесения на поверхность продуктов тонкого
слоя коптильной жидкости, получаемой из
продуктов неполного сгорания древесины или
смеси синтетических компонентов.
Для копчения в рыбной, мясной и молоч-
ной отраслях пищевой промышленности при-
меняют термоагрегаты, автокоптилки, термо-
камеры и коптильные термошкафы. Это обору-
дование оснащено дымогенераторами, конди-
ционерами, подогревателями воздуха (калори-
ферами), вентиляторами и системами контроля
и регулирования процесса.
В термоагрегатах и автокоптилках копче-
ние осуществляется при непрерывном движе-
нии продукта, а в термокамерах и термошка-
фах неподвижный продукт последовательно
обрабатывают в соответствии с технологией.
По способу перемещения продукта термоагре-
гаты могут быть цепными (люлечными) или
рамными; по характеру перемещения внутри
термоагрегата - проходными или тупиковыми;
по траектории движения - однолинейными,
кольцевыми или карусельными. Термокамеры
бывают одно- и многокамерные, стационарные
и нестационарные. Последние подразделяют на
варочные, обжарочные, коптильные, климати-
ческие, охлаждающие и универсальные. Тер-
мошкафы обычно изготовляют однокамерны-
ми. В универсальной термокамере совмещают
несколько процессов, например варку и копче-
ние, сушку и климатизацию, холодное копче-
ние и созревание. Универсальные камеры по-
зволяют осуществлять большинство тепловых
процессов. В таких камерах в диапазоне темпе-
ратур до 100 °C в течение одного технологиче-
ского процесса можно по выбору проводить
обжарку, сушку, копчение, шпарку, душирова-
ние или варку горячим воздухом, а также запе-
кать продукцию при температуре до 150 °C.
Термокамеры конструируют по следую-
щим основным принципам: экономичного рас-
ходование энергии; повышения пропускной
способности за счет более плотного размеще-
ния продукции; равномерного распределения
воздушных потоков; точного регулирования
температуры и влажности; абсолютной надеж-
ности и удобства; выброса газообразных отхо-
дов в атмосферу, не превышающего допускае-
мого нормами уровня.
Термокамеры и термошкафы изготовляют
из углеролистой коррозионно-стойкой стали.
Стены, крыша, пол и двери имеют хорошую
теплоизоляцию, пол - уклон для стока воды.
Термокамеры оснащены специальными тележ-
ками-рамами, на которые на палках навешива-
ют подлежащие термообработке продукты.
Внутри термокамер имеется специальный от-
кидной мостик для закатывания тележек. Мос-
тик, изготовленный из коррозионно-стойкой
нержавеющей стали, легко откидывается, а
после закатывания тележки поднимается вверх
и автоматически защелкивается в поднятом
положении.
Термошкаф меньше термокамеры и не
комплектуется тележкой. Продукцию, подле-
жащую термообработке, на полках вручную
вставляют внутрь.
Все термокамеры и термошкафы оснаще-
ны системой приточно-вытяжной вентиляции,
способной в течение 1 мин выполнить десяти-
кратную рециркуляцию всего объема воздуха,
находящегося в камере. Санитарная очистка
собственно камеры производится вручную.
Камеры и шкафы оснащают микропроцессор-
ными блоками автоматического управления и
регулирования.
Универсальные и коптильные камеры
укомплектовывают дымогенераторами, выра-
батывающими дым. Дымогенераторы бывают
встроенными, монтируемыми внутри двери
или сбоку от нее внутри камеры, а также спе-
циально стоящими сбоку камеры. Дымогенера-
торы бывают с периодической и непрерывной
подачей опилок.
554
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССОБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Способы нагрева при получении дыма
могут быть следующими: сжигание древесного
топлива или газа, электронагрев, трение или
совместное действие электронагрева и трения,
подача горячего воздуха или перегретого пара
при витании или в кипящем слое опилок. По
числу ярусов, на которых располагаются
опилки, дымогенераторы разделяют на одно-
или многоярусные, по способу отвода дыма - с
общим или раздельным отводом.
Стационарная коптильная камера
ИТЛ1-01 представляет собой вертикальную
строительную конструкцию с внутренним по-
перечным сечением 2520x1410 мм (рис. 7.14).
Внутри нее проходит бесконечный подвесной
двухцепной конвейер 6 с подвесками, на кото-
рые укладываются прутки с нанизанной рыбой.
Рис. 7.14. Стационарная коптильная
камера ИТЛ1-01:
1 - натяжная станция; 2 - вывод загрузочный;
3 - двери; 4 - вывод разгрузочный; 5 - приводная
станция; 6 - подвесной конвейер; 7 - камера
Шаг подвесок составляет 508 мм. В верхней
части установлена приводная, а в нижней -
натяжная станции. Скорость движения конвей-
ера 1,2 м/мин. Объем печи по сельди составля-
ет 1800 кг, а по другим видам рыбы - до
2400 кг. Увлажненный воздух отсасывается из
верхней части коптильной камеры.
Провяливание рыбы проводится в тече-
ние 6 ч в пять этапов: в течение трех этапов (по
1,5 ч) подается воздух; а в течение двух этапов
(по 45 мин) воздух не подается и в продукте
происходит выравнивание влаги [6].
Копчение продолжается 20 ч. Температу-
ра дымовоздушной смеси составляет 27 °C.
Плотность дыма зависит от воздуха, посту-
пающего в топку. Считают нормальным, если
воздух поступает в таком количестве, что ско-
рость движения его в камере составляет не
менее 0,12 и не более 0,25 м/с. Относительную
влажность в камере поддерживают в пределах
60...65 %. По окончании копчения в камеру
подается охлаждающий воздух. После этого
продукт выгружают из камеры.
Универсальные термокамеры показаны
на рис. 7.15. Термокамера КОН-5 состоит из
корпуса и облицовки, между которыми распо-
ложен теплоизолирующий материал. Термока-
мера полностью выполнена из коррозионно-
стойкой стали. Она имеет одностворчатую
дверь, которая может быть правого или левого
исполнения. Герметичность двери достигается
ее уплотнением.
Термокамера оснащена блоком электро-
нагревателей, центробежным вентилятором,
тремя медными термопреобразователями для
измерения «сухой» температуры в камере,
«влажной» температуры и температуры в цен-
тре продукта, соленоидным клапаном с фор-
сунками и трубопроводом вспрыскивания во-
ды. На крыше камеры установлены фильтр
очистки водопроводной воды и клапан управ-
ления системой водяной завесы в дымогенера-
торе. Термопреобразователь для измерения
«влажной» температуры одним концом опущен
в ванночку с водой, установленной в камере.
Во избежание получения неверных значений
«влажной» температуры необходимо контро-
лировать наличие воды в ванночке перед за-
грузкой рамы в камеру.
Рама с продуктом загружается в камеру
по направляющим. Подача дыма из дымогене-
ратора осуществляется через проем в крыше
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ
555
Рис. 7.15. Универсальные термокамеры:
а - нагрева КОН-5; б - термодымовая Я16-АФН; в - установка термообработки колбасных изделий «Утоки»;
г - установка термообработки 225у278; 1 - термокамера; 2 - дымогенератор;
3 - пульт управления; 4 - колбасная камера
Продолжительность процесса подсушки
15...25, обжарки 3...140, варки 30... 100, коп-
чения 360... 1440 мин. Время разогрева камеры
до температуры 90 °C составляет 10 мин.
Термообработка продуктов проводится на
раме, укомплектованной двумя видами поддо-
нов со съемными штангами. Рама представляет
собой сварной каркас на шести колесах. В за-
висимости от вида обрабатываемого продукта
на кронштейны рамы можно устанавливать
поддоны (цельнометаллические или сетчатые).
Для сбора жировых выделений на нижнюю
часть рамы или пол камеры устанавливают
поддон. Дымогенератор предназначен для бес-
пламенного сжигания опилок с целью получе-
ния дыма и последующей подачи его в камеру.
Перед загрузкой опилок в кассету (объемом
12 дм3) их смачивают водой в соотношении
10:1. Опилки зажигают вручную. Тяга регули-
руется флажками, установленными на крыше.
Концентрацию дыма изменяют, выдвигая под-
дон, увеличивая или уменьшая зазор между
корпусом дымогенератора и передней панелью.
Полное сгорание опилок при максимальной
тяге воздуха происходит за 1,5 ч. При работе
дымогенератора поддон должен быть заполнен
водой на высоту 10...20 мм.
По воздуховоду дым поступает в камеру
в центробежный вентилятор. Дымовоздушная
смесь, поступающая в камеру, направляется
вентилятором в боковые воздушные отсеки, из
которых через плоские сопла попадает в каме-
556
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССОБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
ру. После прохождения через полезное про-
странство камеры она переходит через решетку
электронагревателей, попадает на вход венти-
лятора и удаляется из камеры через шибер.
Относительная влажность поддерживается
впрыскиванием воды через центробежную
форсунку, расположенную между рядами элек-
тронагревателей, с которых происходит ее ис-
парение. Относительная влажность среды со-
ставляет при подсушке 25...35 %, обжарке
10. ..35 %, варке 80... 100 %, копчении
50...65 %, а температура соответственно
60...95, 70...95, 80...65, 20...80 °C при произ-
водстве мясопродуктов. Продолжительность
процесса 6...24 ч.
Расчет процесса копчения. Тепловой
расчет коптильной камеры периодического
действия рассмотрим на примере копчение
рыбы. В соответствии с технологией перед
копчением рыба подсушивается. Это можно
осуществлять вне и в камере. Исходными дан-
ными для расчета являются: вид обрабатывае-
мого сырья, его теплоемкость, единовременная
загрузка камеры, продолжительность подсуш-
ки и копчения, потери сырья при подсушке и
копчении; начальная температура сырья, ко-
нечная температура при подсушке и масса
транспортных устройств. Тепловой расчет при
подсушке рыбы перед копчением изложен в
[4J.
Масса рыбы в конце копчения
тк =[/и(100-Д)]/100,
где т - масса единовременной загрузки рыбы,
кг; А- потери сырья при копчении, % (по
нормативной документации).
Потери влаги при копчении составят
^к ~ тс ~~ тк ,
где тс - масса рыбы в конце подсушки, кг.
Расход теплоты на нагрев рыбы при коп-
чении
Q=/«c(zK-ZH), (7.4)
где с- теплоемкость рыбы, Дж/(кг°С); tK -
температура рыбы в конце копчения, °C; /к -
температура рыбы в начале подсушки, °C.
Определение расхода теплоты, затрачи-
ваемой на нагрев транспортных средств,
проводим по формуле (7.4), в которой т - их
масса, с- теплоемкость материала, /н,/к-
начальная и конечная температура транспорт-
ных средств, °C.
Потери теплоты в окружающую среду
бз = (^ср — )т ’
где S - площадь поверхности коптильной ка-
меры, м2; а - суммарный коэффициент тепло-
отдачи, Вт/(м2 оС); ^СрЭв~ средняя температу-
ра стенки соответственно наружной поверхно-
сти и окружающего воздуха, °C.
Средний удельный расход теплоты при
нагреве рыбы, транспортных устройств и по-
терь теплоты в окружающую среду на 1 кг
испаренной влаги
где бобщ - расход теплоты на нагрев рыбы,
транспортных средств и потерь теплоты в ок-
ружающую среду, Дж; И7 - потеря влаги за 1 ч
при копчении, кг/ч; IV -^к/тк ; тк ~ ПР0-
должительность копчения, ч; определяется тех-
нологическим регламентом копчения.
Расчет требуемого количества дымовоз-
душной смеси (газа) проводят следующим об-
разом [4]. Топливом для получения дыма при
копчении являются опилки и дрова влажно-
стью 35 %. Состав топлива: влажность IV р =
= 35%; азот N^ = 0,4%; углерод Ср =
= 32,8%; зола А^ = 0,6%; водород Н^ =
= 3,9 %; кислород Ор - 27,3 %. Высшая теп-
лота сгорания топлива определяется по форму-
ле Д.И. Менделеева
2Р = 339,5СР+ 1256НР-Ю9^ОР—Sp
где Sp-cepa.
Теоретически необходимое количество
воздуха для сжигания 1 кг топлива
L = 0,115СР + 0,345Нр + 0,0431 Op-Sp I.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ
557
Общий коэффициент избытка воздуха
{сЯп + Сг'т -[(9НР + /Кр)/100]/п -[1-(9Нр + И'Р + Аруюо]сг/г|
{ L [(t/ozn )/Ю0 ~ 4) + сг4 ]}
где Т| — КПД топки (г| = 0,9) ; ст,сг- тепло-
емкость соответственно топлива и газов,
Дж/(кг°С); ZT,Zr- начальная температура со-
ответственно топлива и газов, °C; zn - энталь-
пия водяных паров в газе, Дж/кг;
/п = 2500 + 1,97/г .
Влагосодержание Jg, кг/кг и энтальпию
/д, Дж/кг, наружного воздуха определяют по
таблицам для влажного воздуха.
Влагосодержание газов d\ (в г на 1 кг)
при поступлении в коптильную камеру опреде-
ляют по формуле:
dx =[10(9Нр +WzP) + (a*W0)]/{(a*i) + [1-(9HP +^р + Ар)/юо]},
где а* - коэффициент избытка воздуха; L -
расход газов при копчении.
В связи с большим избытком воздуха, в
расчетах энтальпию газа Ц при поступлении в
коптильную камеру определяют по диаграмме
состояния для влажного воздуха при заданной
температуре и влагосодержании d\ . Для опре-
деления влагосодержания d^ и энтальпии 1^
отработавших газов строят процесс копчения в
Id -диаграмме для влажного воздуха при из-
вестных значениях температуры и влагосодер-
жания d\ газов, поступающих в коптильную
камеру.
Расход безводной части газов на 1 кг ис-
паренной влаги
/ = 1000/(4/2-4) •
Расход газов при копчении L=IW .
Удельный расход теплоты на испарение
1 кг влаги
9* = 4^2 -4)) +Я-
Часовой расход теплоты Qr = Wq* , а ча-
совой расход топлива
Q^QrlQl,
где - низшая теплота сгорания топлива для
получения дыма;
Qh = Qh -[2511(9НР + ^Pj/ioo] .
Объем коптильной камеры прямо про-
порционален объему ее разовой загрузки про-
дуктом. Коэффициент пропорциональности
определяется нормативными данными.
7.1.5. ТЕПЛОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ С
ОЧИЩАЕМОЙ РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ
При обработке вязких продуктов, таких
как высокожирные сливки, плавленый и сли-
вочный сыр, смеси мороженого, животный и
кулинарный жир, томатная паста, крем, расти-
тельное пюре, салатные приправы, соусы,
фруктовые пюре и др. образуется пристенный
слой сравнительно большой толщины, оказы-
вающий значительное термическое сопротив-
ление теплообмену. Очистка пристенных слоев
с рабочей поверхности аппарата и непрерывное
перемешивание очищенных пристенных слоев
с основной массой обрабатываемого продукта
уменьшает термическое сопротивление, спо-
собствует интенсификации тепловых процес-
сов, предотвращает перегрев продукта в при-
стенном слое и ухудшение его питательной
ценности и вкусовььх качеств. Теплообменные
аппараты с очищаемой рабочей поверхностью
(ТАОРП) широко применяются при обработке
вязких пищевых продуктов.
Конструктивные особенности. Тепло-
обменные аппараты с очищаемой рабочей по-
верхностью могут быть непрерывного и перио-
558
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
дического действия. Аппараты непрерывного
действия подразделяются на цилиндрические и
пластинчатые. Широкое применение находят
аппараты непрерывного действия цилиндриче-
ского типа. На рис. 7.16 приведена схема тако-
го аппарата. Продукт подается в аппарат через
патрубок / и движется по кольцевому зазору,
образованному рабочим цилиндром 4 и валом
5. Скребки 6, размещенные на валу, непрерыв-
но счищают пристенные слои и перемешивают
их с ядром потока. За время прохождения про-
дукта по кольцевому зазору он нагревается или
охлаждается от начальной до конечной темпе-
ратуры и выходит через патрубок 8. Тепло- и
хладоноситель через патрубок 9 поступает в
рубашку 3 аппарата и, пройдя ее, отводится
через патрубок 2. Скребки шарнирно закрепле-
ны на держателях 7 и прижимаются рабочей
кромкой скребков к очищаемой поверхности
аппарата в результате гидродинамического
действия обрабатываемого продукта, так и
центробежно-динамического действия скреб-
ков. В некоторых конструкциях скребки к ра-
бочей поверхности прижаты пружинами.
Число скребков 2...8, частота очистки ра-
бочей поверхности 1... 16 с'1. За рубежом аппа-
раты такого типа часто называют «Вотатор».
Техническая характеристика аппаратов «Вота-
тор», применяемых для охлаждения свиного
жира, .приведена в табл. 7.1.
7.1. Техническая характеристика аппаратов
«Вотатор»
Параметры Производительность, кг/ч
400 1350 2250 4500
Размеры рабочего цилиндра, мм: диаметр - - 254 340
длина - - 1160 1160
Число рабочих секций 1 1 1 2
Частота вращения вала со скребками, с’1 6,8 6,8 6,8 6,8
Мощность электро- двигателя привода вала, кВт 2,2 7,4 7,4 14,8
Мощность электро- двигателя насоса, кВт: нагнетательного 7,4 11,0
вспомогательного - - 3,7 7,4
Масса, кг 500 817 2500 3400
Рис. 7.16. Схема скребкового поточного аппарата цилиндрического типа
Пластинчатые аппараты непрерывного
действия с очищаемой рабочей поверхностью
применяются при цроизводтве сливочного
масла методом преобразования высокожирных
сливок. Пластинчатый аппарат (рис. 7.17) со-
стоит из ряда чередующихся охлаждающих 4 и
продуктовых 5 пластин. Между продуктовыми
пластинами размещены ножи-скребки б, счи-
щающие пристенные охлажденные слои про-
дукта и перемешивающие их с основным пото-
ком, движущимся последовательно в зазорах
между продуктовыми пластинами в направле-
нии к конусной насадке 10. Хладоноситель -
рассол иди ледяная вода движется с противо-
положной стороны продуктовых пластин. Про-
дукт из пластинчатого аппарата поступает в
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ
559
Рис. 7.17. Пластинчатый аппарат с очищаемой рабочей поверхностью:
/ - опорная плита; 2 - отверстие для схода продукта; 3 - отверстие для хладоносителя;
4 - охлаждающая пластина; 5 - продуктовая пластина; 6 - скребки; 7 - резиновые кольца;
8- нажимная плита; 9- патрубки; 10- конусная насадка
Рис. 7.18. Схема скребкового цилиндрического аппарата (фризера) периодического действия
камеру дополнительной обработки, снабжен-
ную лопастной мешалкой и дисковой решет-
кой. Производительность пластинчатых масло-
образователей 400...2000 кг/ч.
Цилиндрические аппараты периодическо-
го действия с очищаемой рабочей поверхно-
стью применяются при производстве мороже-
ною для фризерования смесей мороженого. На
560
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
рис. 7.18 приведена схема фризера периодиче-
ского действия. Аппарат состоит из рабочего
цилиндра 3, внутри которого размещены ноже-
вая рама 2 и мешалка 4. Снаружи рабочего
цилиндра имеется рубашка 5 для хладоносите-
ля. Загрузка смеси мороженого с температурой
4 °C осуществляется через воронку У, а выход
фризерованной смеси, охлажденной до ми-
нус 4...5 °C, производится через кран 6. Про-
изводительность фризеров периодического
действия с рассольным охлаждением 120 кг/ч,
а с аммиачным охлаждением 120...200 кг/ч.
Резервуары с очищаемой рабочей поверх-
ностью относятся к аппаратам периодического
действия. Их применяют для подогревания или
охлаждения вязких продуктов. Такое оборудо-
вание находит применение при созревании
сливок, кисломолочных напитков и др. Резер-
вуар состоит из корпуса 7, охлаждающей ру-
башки 2, мешалки 3 с размещенными на ней
скребками 4 (рис. 7.19). Через патрубки 6 и 8
осуществляется подача и отвод продукта, а
через патрубки 7 и 5 подача и отвод тепло- или
хладоносителя. Объем таких резервуаров
2...6м3.
Рис. 7.19. Схема резервуара с очищаемой
рабочей поверхностью
Расчет теплообменных аппаратов с
очищаемой рабочей поверхностью. Расчеты
теплообменных аппаратов подразделяются на
проектные и поверочные. При проектном рас-
чете определяется площадь поверхности теп-
лообмена, необходимая для обеспечения за-
данного температурного режима в течение
обусловленного заданием времени. Повероч-
ный расчет выполняется с целью установления
возможности использования имеющегося в
наличии аппарата в условиях, отличных от
указанных в технической документации.
Основными уравнениями расчета аппара-
тов являются уравнения теплового баланса и
скорости теплоотдачи. Для аппаратов непре-
рывного действия уравнение теплового балан-
са с учетом потерь теплоты в окружающую
среду имеет вид:
0 = A/iCi(Z|'-/f)nn =^2^02-^)’
(7.5)
где Q - количество передаваемой теплоты
(тепловой поток), Вт; М\ и М^~ массовый
расход соответственно обрабатываемого про-
дукта и теплоносителя (хладагента), кг/с; и
- соответственно начальная и конечная тем-
пературы обрабатываемого продукта, °C; /;> и
- соответственно начальная и конечная тем-
пературы теплоносителя (хладагента), °C; q и
С2 - средняя теплоемкость соответственно
обрабатываемого продукта и теплоносителя
(хладагента), Дж/(кг°С); Г|п - коэффициент
тепловых потерь; г|п =0,95...0,97 .
Для аппаратов периодического действия
количество теплоты, отданной или восприня-
той за некоторый отрезок времени или цикл с
учетом потерь теплоты в окружающую среду,
определяется по формуле (7.5), где М\ и Л/2~
масса обрабатываемого продукта и теплоноси-
теля (хладагента) за цикл, кг.
Производительность аппарата периоди-
ческого действия, кг/с,
МТ =А//(т + тд),
где М - количество продукта, обработанного
за один цикл, кг; т- продолжительность цик-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ
561
ла, с; тд - время, затрачиваемое на загрузку и
выгрузку продукта, с.
Уравнение теплопередачи для аппаратов
непрерывного действия
Q = kS\t, (7.6)
где к - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2оС);
5 - площадь поверхности теплообмена, м2;
А/ - средний температурный напор, °C.
Уравнение теплопередачи для аппаратов
периодического действия
QT = kSNtT , (7.7)
где Qx- количество теплоты, отданной или
воспринятой за некоторый отрезок рабочего
времени т; т находится в пределах времени
рабочего цикла (для аппаратов непрерывного
действия т = 1).
При расчете коэффициента теплопереда-
чи необходимо иметь данные о коэффициен-
тах теплоотдачи на стороне продукта oq, на
стороне тепло- или хладоносителя «2 * а так"
же о термических сопротивлениях стенки.
Наибольшие трудности возникают при расче-
те коэффициента теплоотдачи 0С|, что обу-
словлено сложностью протекания тепловых
процессов при обработке вязких пищевых
продуктов, большинство из которых обладает
свойствами псевдопластичных жидкостей.
Аналитические зависимости для опреде-
ления осj, полученные рядом исследователей
[10], применимы для аппаратов непрерывного
и периодического действия. Приведенные ни-
же уравнения не учитывают конструктивных
особенностей рабочих органов с очищающими
устройствами, и при их выводе приняты иде-
альные условия, при которых счищенные с
рабочей поверхности аппарата пристенные
слои продукта нагреваются или охлаждаются
до температуры ядра потока, Вт/(м2оС):
oq = Ayl^cpnz , (7.8)
где А - коэффициент уравнения; X- коэффи-
циент теплопроводности, Вт/(м °С); с - удель-
ная теплоемкость, Дж/(кг °С); р- плотность,
кг/м3; п- частота вращения вала со скребками,
с1; z - число скребков на валу.
Для ТАОРП цилиндрического типа коэф-
фициент уравнения А = 1,13 . Рассчитанные
значения oq по уравнению (7.8) при А = 1,13
получаются несколько завышенными. Наибо-
лее близкое значение 0С| имеют место при
А = 0,51 [10].
Для резервуаров. \ коюрых рабочая по-
верхность очищается скребками 18],
0,27л 0,73 (3,5
С А р 0.73-0,23™
“|= ик"и
где К - показатель консистенции (постоянная
Оствальда), кг/(м с); у - градиент скорости, с'1;
т - показатель неньютоновского поведения
(показатель текучести).
Эмпирические зависимости для ос।, при-
веденные ниже, наиболее полно отражают
процесс теплообмена в аппаратах с очищаемой
рабочей поверхностью.
Для определения oq в резервуаре с очи-
щаемой рабочей поверхностью при тепловой
обработке ньютоновских и неньютоновских
жидкостей, характеризующихся степенным
реологическим законом при показателе ненью-
тоновского поведения т ~ 0,6...! , рекомендо-
вано уравнение
Nu = 0,833 Re^’5 Pr.,'33 (k/k„ Г0’18,
Ци V \ / VI /
(Хб/
где Nu = - - критерий Нуссельта;
р/7 / \1—т
Кецо =----------[47Г1 - обобщенный
к
центробежный критерий Рейнольдса;
стш / \т-\ _ _
гг0 =-------(4ti) - обобщенный крите-
X
рий Прандтля; п- частота вращения мешалки
со скребками, с1; dM- диаметр мешалки, м; к
и к^ - показатель консистенции при темпера-
туре соответственно продукта и стенки.
Пределы изменения критериев и сим-
плекса:
Кец0 = 5...4-105; Рг0 =5...2,5 104;
к/к„ =0,05...!.
562
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Коэффициент теплоотдачи в резервуаре
со скребковой мешалкой, когда скребки накло-
нены в сторону противоположную вращению
вала, определяется по формулам:
при 2000 < Г < 200 000
Nu = O,O87Pe„’5r0’19;
при 450 < Г < 2000
Nu = 0,0035Рец’5Г°’6;
где Рец - центробежный критерий Пекле;
Г = D/p ; D - диаметр резервуара, м; р -
величина зазора между кромкой скребка и по-
верхностью резервуара, м.
Расчет eq в ТАОРП пластинчатого типа,
на валу которых размещены скребки, произво-
дится по уравнению:
Nu = 0,29(ReM Prz)0’25,
где ReM = ри£)2/ц - критерий Рейнольдса
при перемешивании продукта мешалки;
Рг = и/я- критерий Прандтля; D- диаметр
мешалки со скребками; п- частота вращения
мешалки, с"1; ц - динамическая вязкость, Па с;
о - кинематическая вязкость, м2/с.
Расчет оц в поточных ТАОРП цилинд-
рического типа при обработке пищевых про-
дуктов, обладающих свойствами псевдопла-
стичной среды, производится по формуле [10]
Nu = 0,87 Re°’55 Рг9’39(цэ/цэст)°’14,
XT °^С
где Nu =-------
X
критерий Нуссельта;
и7ср
Ке0 =------обобщенный критерий Рей-
Рэ
нольдса для ненъютоновских сред;
Рг0 = сцэ/Х- обобщенный критерий Прандт-
ЛЯ для
100и (D/d)
т (D/d)
цэ =к
неньютоновских
|2/"* 1Г1
|2/т-1
сред;
эквива-
лентная эффективная вязкость, Пас;
w = nDn - линейная скорость рабочей кромки
скребка, м/с; D - внутренний диаметр цилинд-
ра, м; п - частота вращения вала со скребками,
с1; lc=TtD/z- расстояние между рабочими
кромками скребков, м; z - число скребков на
валу; р- плотность обрабатываемого продук-
та, кг/м3; X- коэффициент теплопроводности,
Вт/(м °С); к - показатель консистенции (по-
стоянная Оствальда), кг/(м/с); т - показатель
неньютоновского поведения (показатель теку-
чести); d - диаметр вала, на котором размеще-
ны скребки, м; цэ и Цэст- динамический
коэффициент эффективной вязкости при тем-
пературе продукта и стенки, Па с.
Значения критериев изменялись в интер-
валах:
300 < Re0 < 500 000 ; 5 < Рг < 5200 ;
260 < Nu < 3150.
Расчеты коэффициентов теплопередачи и
теплоотдачи на стороне тепло- или хладоноси-
теля 0^2 и термических сопротивлений стенки
теплообменных аппаратов подробно приводят-
ся в [7] и др.
Определение площади поверхности теп-
лопередачи. Необходимую теплопередающую
площадь поверхности S' аппарата (м2) опреде-
ляют из уравнения теплопередачи (7.6) или
(7.7):
для аппаратов непрерывного действия
S = Q/k\t (7.9)
для аппаратов периодического действия
S = Qx/k\tt. (7.10)
Геометрический расчет ТАОРП. Пло-
щадь поверхности теплопередачи связана с
конструктивными размерами аппарата. Так,
для ТАОРП цилиндрического типа
S = nDZ04, (7.11)
где D - внутренний диметр рабочего цилинд-
ра, м; Z04 - длина очищаемой поверхности
рабочего цилиндра, м.
Определив по формулам (7.9) или (7.10)
необходимое значение S, вычисляют геомет-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ
563
рические размеры аппарата. Задавшись разме-
ром D, исходя из конструктивных соображе-
ний и условий эксплуатации аппарата, расчет-
ным путем по уравнению (7.11) определяют
Z04. Если значение Z04 достаточно велико,
то его разделяют на несколько равных значе-
ний и в этом случае аппарат будет иметь соот-
ветствующее число секций.
При геометрических расчетах ТАОРП
пластинчатого типа определяют следующие
величины.
Число пластин в теплообменном аппарате
Z = r/(5nw), (7.12)
где V - объемный расход продукта, м3/с; Sn -
площадь поперечного сечения одного межпла-
стинного канала, м2; w- скорость движения
продукта в канале, м/с.
Площадь поверхности теплопередачи од-
ной пластины вычисляют из соотношения
5|=5/«, (7.13)
где 5- площадь поверхности теплопередачи
2
аппарата, найденная при тепловом расчете, м ;
п - число пластин в теплообменнике.
Общая длина каналов в одной пластине
определяется из формулы
Z = 5’In/(12,56zKS'n), (7.14)
где П- смоченный периметр канала, м; zK-
число каналов на одной стороне пластины.
Значения величин, вычисленных по урав-
нениям (7.12) - (7.14), используют для опреде-
ления размеров пластин и теплообменного
аппарата.
7.1.6. ХЛЕБОПЕКАРНЫЕ ПЕЧИ
Классификация хлебопекарных печей.
Выпечка является сложным процессом, проте-
кающим под воздействием теплоты и влаги.
Внутри теста-хлеба протекает сложный ком-
плекс процессов. Качество изделий при выпеч-
ке зависит от регламентации и скорости проте-
кания этих внутренних процессов, которые в
свою очередь зависят от увлажнения и прогре-
ва тестовых заготовок.
Конструкция печи, системы обогрева и
парового увлажнения должны обеспечить не-
обходимый подвод влаги и теплоты для полу-
чения хлеба хорошего качества. Имеется ши-
рокий спектр конструкций хлебопекарных и
кондитерских печей. Основными признаками
их классификации являются: назначение печ-
ного агрегата - технологический признак; спо-
собы генерации теплоты и обогрева пекарной
камеры - теплотехнический признак; степень
механизации печного агрегата эксплуатаци-
онный признак; тип или конфигурация пекар-
ной камеры, рабочая площадь пода - конструк-
тивный признак.
Назначение печного агрегата. Этот тех-
нологический признак классификации опреде-
ляет специализацию печей и ассортимент вы-
рабатываемой продукции. По технологической
специализации печные агрегаты разделяются
на хлебопекарные, кондитерские, бараночные,
пряничные и для выработки национальных и
специальных сортов мучных изделий. По вы-
рабатываемому ассортименту печи можно раз-
делить на группы:
универсальные, на которых может выпе-
каться практически весь ассортимент изделий;
для широкого ассортимента изделий,
на которых можно выпекать широкий ассорти-
мент хлеба (подового, формового и булочных
изделий);
специализированные, на которых можно
выпекать только определенный ограниченный
ассортимент, например бараночные печи, кон-
дитерские или печи для национальных сортов
хлеба.
Способ обогрева пекарной камеры, К ре-
генеративным печам относятся жаровые печи,
тандыры. В пекарной камере печи сначала
сжигают топливо, стены аккумулируют тепло-
ту, а затем в этой камере выпекают хлеб.
В печах с канальным обогревом тепло-
носителем являются продукты сгорания, про-
ходящие по каналам, через поверхность тепло-
обмена которых теплота передается в пекар-
ную камеру к выпекаемому изделию. Теплоно-
ситель образуется в топках при сжигании топ-
лива. Топка и каналы в таких печах выполнены
из огнеупорного кирпича, при температуре
теплоносителя до 600 °C применяют стальные
каналы. По форме каналы могут быть плоски-
ми и трубчатыми.
В современной печи для снижения ее те-
пловой инерции применяют рециркуляцию
продуктов сгорания. Такие печи можно разо-
564
Глава?. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
греть в течение 1,5...2 ч. Все каналы в таких
печах выполнены из тонкой стали. Ряд зару-
бежных фирм применяют жидкий кремнеорга-
нический теплоноситель, который можно на-
гревать до температуры 300 °C при низком
давлении в специальном котле и по трубам
направлять в компактные каналы, размещен-
ные в пекарной камере печи. Передача теплоты
от поверхности каналов радиационно-
конвективная, причем радиацией передается ее
80...90 %.
В печах с комбинированным (радиаци-
онным и усиленным конвективным) обогре-
вом применяют канальный обогрев и вынуж-
денный конвективный с циркуляцией воздуш-
ной среды в пекарной камере. В печах с кон-
вективным обогревом изделия выпекаются в
камере, в которой циркулирует при помощи
вентилятора нагретый в калорифере горячий
воздух.
В печах с пароводяным обогревом ис-
пользуются пароводяные трубки (трубки Пер-
кинса).
В печах с паровым обогревом от котлов
высокого давления (9... 13 МПа) паровой котел
высокого давления размещен на первом этаже,
а печь - на втором. Такое размещение необхо-
димо для обеспечения естественной циркуля-
ции в системе обогрева теплоноситель - водя-
ной насыщенный пар высокого давления. В
пекарной камере печи размещены трубчатые
радиаторы, в которые поступает пар из котла,
конденсируется, выделяя теплоту, передавае-
мую в пекарную камеру.
В печах с электрообогревом использу-
ются различные способы преобразования элек-
трической энергии в тепловую:
элементы электрического сопротивле-
ния - трубчатые электрические нагреватели
(ТЭНы), теплота от которых передается к изде-
лиям тепловым излучением и конвекцией;
светлые излучатели - кварцевые лампы
(ИК-излучатели), основная доля теплоты от
которых передается излучением;
генераторы высокой частоты с различной
длиной волны: энергия токов высокой частоты
поглощается материалом, который необходимо
нагреть, и преобразуется в тепловую энергию;
электроконтактное устройство нагрева, в
котором тесто является электрическим сопро-
тивлением и в нем электрический ток преобра-
зуется в тепловую энергию.
Практическое значение в хлебопекарных
печах нашли различные конструкции элемен-
тов сопротивления, и в первую очередь
ТЭНы.
Печи со сжиганием газа в пекарной ка-
мере для выпечки хлеба в нашей стране запре-
щены из-за возможного загрязнения хлеба кан-
церогенными вещее (вами Этот способ обогре-
ва применяется в кондигерских печах.
Печи с комбинированным (смешанным)
обогревом иммеюг комбинированные системы
обогрева, например канальную и пароводяную
(с трубками Перкинса), или газовую и каналь-
ную.
Степень механизации и автоматизации
печного агрегата. По уровню механизации
печи можно разделить на следующие типы: с
ручным обслуживанием (печи со стационар-
ным подом); с простейшей механизацией - с
посадочным устройством, с выдвижными по-
дами; с конвейерными подами и механизиро-
ванной пересадкой тестовых заготовок из рас-
стойного шкафа в печь; расстойно-печные аг-
регаты, имеющие общий конвейер.
По степени автоматизации разделяют пе-
чи с ручным управлением теплового режима и
с автоматизацией регулирования теплового
режима и автоматикой безопасности режима
горения в топке.
Тип и конфигурация пекарной камеры.
По конфигурации пекарной камеры печи де-
лятся на тупиковые, в которых посадка тесто-
вых заготовок на под и выгрузка готовой про-
дукции происходят через одно окно. Печи
могут иметь одну пекарную камеру тупиково-
го типа или несколько, размещенных в не-
скольких ярусах. В проходных печах посадка
тестовых заготовок происходит с одной сто-
роны камеры, а выгрузка готовой продукции -
с другой. В проходных пекарных камерах
могут быть многониточные конвейеры. Част-
ным случаем проходных печей могут быть
тоннельные пекарные камеры, выполненные в
виде тоннеля. В таких печах двухниточный
конвейер. В настоящее время зарубежные
фирмы стали выпускать многоярусные печи с
пекарной камерой тоннельного типа на каж-
дом ярусе.
Рабочая площадь пода. Производитель-
ность печи зависит от площади пода. Главным
параметром печей является рабочая площадь
пода: 10, 16, 25, (40), 50, 80, 100, 125 м2.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ
565
Основы теории процесса выпечки хле-
ба. В выпекаемой тестовой заготовке (ВТЗ)
протекает сложный комплекс теплофизиче-
ских, коллоидных, микробиологических и био-
химических процессов. В результате этих про-
цессов в ней происходят глубокие качествен-
ные изменения, и она превращается в готовый
продукт - хлеб. В пекарной камере протекают
все виды передачи теплоты к тестовым заго-
товкам: излучением - от поверхностей нагрева;
конвекцией - от парогазовой среды пекарной
камеры; теплопроводностью - от пода к ниж-
ней поверхности ВТЗ. В большинстве конст-
рукций печей передача теплоты излучением
составляет 70...90 % и является определяющей
при выпечке.
При прогреве в ВТЗ протекают различ-
ные процессы, которые обусловливают форму,
объем, вкусовые качества и аромат хлеба. Ис-
следования автора показали, что процесс вы-
печки хлеба можно разбить на три периода
[11], каждый из которых характеризуется про-
цессами, протекающими в данный отрезок
времени и существенно влияющими на форми-
рование технологических показателей качества
выпекаемого хлеба. Зная закономерности
внешнего теплообмена с тестовой заготовкой в
каждом периоде, можно воздействовать на
процессы, происходящие в самой тестовой
заготовке, и таким образом управлять качест-
вом выпекаемого хлеба.
В первый период выпечки технологиче-
ские процессы, которые во многом определяют
качество готового хлеба, на поверхности заго-
товки формируется тонкий слой клейстера,
который выравнивает шероховатую поверх-
ность ВТЗ и образует глянец; поверхность ста-
новятся эластичной, легко растягивается при
увеличении объема.
Этот период начинается с момента посту-
пления ВТЗ в зону увлажнения 1 пекарной
камеры 2 (рис. 7.20), в которую при помощи
парового увлажнительного устройства подаег-
ся насыщенный пар под небольшим избыточ-
ным давлением (0,01...0,15 МПа). В зоне ув-
лажнения образуется паровоздушная смесь с
высоким содержанием влаги. Относительная
влажность среды ср = 80..95% . На холодной
поверхности заготовки происходит конденса-
ция пара. При этом за счет фазового перехода
выделяется значительное количество теплоты
(до 5...9 кВт/м2). В результате интенсивного
внешнего тепло- и массообмена происходит
прогрев ВТЗ. Температура ее поверхности /п в
быстро возрастает, и когда она достигает тем-
пературы точки росы /р, конденсация пара
прекращается. Этот момент является оконча-
нием первого периода. На рис. 7.20, а он обо-
значен точкой I пересечения кривых: темпера-
туры поверхности ВТЗ /п в и температуры
точки росы /р . Масса В ГЗ т в первом перио-
де увеличивается и становится максимальной в
точке \а. Продолжительность первого периода
должна составлять 1... 3 мин.
От эффективности процесса увлажнения
зависят многие качественные технологические
характеристики хлеба: объем, пористость,
глянцевитость корки. Растворенный в слое
жидкости (конденсата) крахмал на поверхности
заготовки при температуре 80...85 °C клейсте-
ризуется, образуется тонкая пленка с раство-
ренным декстрином, который заполняет поры и
выравнивает шероховатости на поверхности,
создавая гладкую, эластичную, глянцевитую
поверхность ВТЗ и готового хлеба. В первом
периоде выпечки начинает увеличиваться объ-
ем заготовки: для батонообразных изделий -
ширина b и длина /, а высота h может сни-
зиться вследствие роста влажности поверхно-
сти и понижения вязкости теста (рис. 7.20, б).
Изменение плотности теплового потока q на
поверхност и ВТЗ показано на рис. 7.20, в.
Во втором периоде выпечки основным
технологическим показателем является интен-
сивное увеличение объема ВТЗ. После зоны
увлажнения ВТЗ попадает в зону обогрева, в
которой под воздействием теплоты, передавае-
мой от обогревательных устройств (каналов,
ТЭНов и др.), начинается испарение влаги с
поверхности. Температура t поверхности за-
готовки увеличивается и при t = 105...115 °C
наступает начальная фаза образования корки.
При этом зона испарения уходит внутрь ВТЗ.
она является границей между частично обез-
воженным тонким слоем на поверхности ВТЗ и
мякишем. Момент начала образования корки
является окончанием второго периода выпечки
(точка 3).
Во втором периоде интенсивно прогре-
ваются внутренние слои ВТЗ, увеличивается
давление газа в порах, а следовательно, объемы
пор и всей ВТЗ. Этот период является очень
важным, так как форма и объем хлеба зависят
от количества подводимой теплоты на этом
участке пекарной камеры.
566
Глава?. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
О 0,1 0,2 0,3 0,9- 0,5 0,6 0,1 0,8 0,9 в
в)
Рис. 7.20. Характеристики кинетики процесса выпечки подового хлеба
Режим выпечки хлеба из пшеничной му-
ки во в этом периоде существенно отличается
от режима выпечки хлеба ржаных сортов. Для
пшеничных сортов хлеба необходим низкотем-
пературный режим 160... 180 °C вначале и
220...240 °C в конце периода. Продолжитель-
ность первого и второго периодов должна со-
ставлять 0 = 0,35...0,45 всего времени вы-
печки (0 = [тх/твып]- безразмерная вели-
чина; твып - продолжительность выпечки,
мин; тх - текущая продолжительность, мин).
Для ржаных и ржано-пшеничных сортов
хлеба необходимы высокотемпературный ре-
жим 260...320 °C вначале и снижение темпера-
туры к концу периода до 230...240 °C. Про-
должительность этого периода для этих сортов
хлеба значительно меньше, чем для пшенич-
ных. На рис. 7.20, б показано изменение высо-
ты h, длины / и ширины b , а также объема
V тестовой ВТЗ батонообразных изделий в
этом периоде (между точками / и 4).
Во втором периоде прогреваются внут-
ренние слои заготовки, и к его концу темпера-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ
567
тура центра заготовки достигает 60...70 °C.
При такой температуре происходит денатура-
ция белков, и тесто превращается в мякиш.
Структурно-механические свойства как внут-
ренних слоев, так и наружного слоя, превра-
тившегося в корку, существенно изменяются.
Давление газа в порах уже не в состоянии из-
менять размеры заготовки, и рост объема тес-
та-хлеба прекращается.
Третий период выпечки характеризуется
образованием и ростом толщины корки ВТЗ.
Этот период выпечки наступает с момента
образования тонкого слоя корки, когда темпе-
ратура ее поверхности достигает 105... 115 °C.
Верхний, частично обезвоженный слой теста-
хлеба, превратившийся в корку, становится
светло-желтого цвета в результате образования
меланоидинов. К этому времени внутренние
слои превращаются в мякиш, хотя еще и не
пропеченный.
В третьем периоде выпечки происходит
углубление зоны испарения, расположенной на
границе подкоркового слоя и мякиша. Ее тем-
пература постоянна и составляет 98... 100 °C.
Интенсивность прогрева мякиша зависит толь-
ко от разности температур в зоне испарения
подкоркового слоя и слоями формирующегося
мякиша.
Интенсификация внешнего теплообмена
может привести только к ускорению роста
толщины корки, повышению ее температуры
вплоть до подгорания корки, но не может ус-
корить время окончания выпечки. Прогрев
внутренних слоев теста-хлеба продолжается до
температуры 97...99 °C (в зависимости от ба-
рометрического давления), которая затем оста-
ется постоянной. При этой температуре мякиш
считается полностью пропеченным и процесс
выпечки на этом заканчивается (точка 4,
рис. 7.20, а).
В третьем периоде происходит очень
важный процесс формирования аромата хлеба,
который протекает в основном в корке и зави-
сит от ее температуры и продолжительности
этого периода. Сокращение продолжительно-
сти выпечки приводит к ухудшению таких
качественных показателей, как аромат хлеба и
быстрота черствления недостаточно пропечен-
ного мякиша.
Конструкции хлебопекарных печей.
Как уже отмечалось, основным фактором,
влияющим на качество, является распределе-
ние подвода теплоты по длине пекарной каме-
ры от обогревательной системы и возможность
регулирования этого подвода по зонам для
изделий различного ассортимента. В связи с
этим при рассмотрении конструкций хлебопе-
карных печей определяющим фактором будет
способ обогрева пекарной камеры и возмож-
ность регулирования количества теплоты в
различных зонах этой камеры.
Печи с канальной системой обогрева без
рециркуляции продуктов сгорания. Наиболее
распространены такие печи, как ФТЛ-2,
ФТЛ-20 (ВНИИХП-П-1) с системой обогрева
без рециркуляции продуктов сгорания. Часть
каналов и стены выполнены из кирпича и по-
этому обладают большой тепловой инерцией.
На их разогрев требуется 20...24 ч, но они мо-
гут работать на любом виде топлива, просты в
обслуживании и наладке.
Печь ФТЛ-2 ~ самая распространенная
конструкция печей для хлебозаводов средней
мощности. Первая модель этой печи была раз-
работала в 1939 г. (авторы Н.И. Краснопевцев
и В.Н. Лавров). В дальнейшем она подверга-
лась совершенствованию (рис.7.21). Печь име-
ет тупиковую пекарную камеру, в которой рас-
положен люлечно-подиковый конвейер 4 с
втулочно-роликовыми цепями.
При выпечке подовых сортов хлеба на
конвейере подвешивают 24 люльки 1 с высотой
подвеса 150 мм и шагом 420 мм через три звена
цепи. Люлька со съемными подиками из листо-
вой стали имеет размер 1920x345 мм. Площадь
пода печи 16 м2. При выпечке формовых сор-
тов хлеба на конвейере подвешивают 36 люлек
шириной 220 мм с шагом 280 мм через два
звена цепи. Стальные подики не устанавливают.
Конвейер печи имеет два вала: передний -
приводной, на котором установлены звездочки
2, и задний 17 - натяжной; на каждом из них
установлены цепные блоки. Цепи конвейера
поддерживаются верхними и нижними направ-
ляющими из уголковой стали, уцепленными на
боковых стенках пекарной камеры при помощи
коротких консолей из уголковой стали, зало-
женных в кирпичную кладку. Натяжение цепей
конвейера производится с помощью винтовых
тяг, размещенных за задним валом. Движение
печного конвейера прерывистое. Каждая люль-
ка конвейера останавливается у посадочного
окна печи 3. Остановка конвейера отрегулиро-
вана таким образом, чтобы плоскость подика
люльки совпадала с плоскостью нижней кром-
ки окна. Такое положение подика люльки от-
носительно посадочного окна печи облегчает
его загрузку.
568
Глава?. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Рис. 7.21. Печь ФТЛ-2
Прерывистость движения конвейера дос-
тигается путем остановки электродвигателя.
Кулачок специальной формы, укрепленный на
валу червячного колеса редуктора, при движе-
нии конвейера приводится во вращение. Кула-
чок. сделав один полный оборот, своим высту-
пом нажимает на рычажок концевого выклю-
чателя, разрывает цепь и обесточивает катушку
магнитного пускателя.
Вследствие этого электродвигатель оста-
навливается и прекращается движение конвей-
ера. Электродвигатель включается при помощи
реле времени. Применение реле времени уп-
рощает кинематику приводного механизма и
позволяет регулировать время оборота печного
конвейера в широком диапазоне в зависимости
от ассортимента и массы хлебобулочных изде-
лий. Кроме реле имеется кнопочное устройство
для ручного пуска и остановки конвейера.
В пекарной камере размещено три канала,
обогревающих с обеих сторон двухниточный
печной конвейер.
Из топки 20 продукты сгорания поступа-
ют в широкий нижний канал 2/, являющийся
продолжением топочного пространства. Ниж-
няя стенка канала покоится на фундаменте
печи; верхнее перекрытие выложено в виде
свода из шамотного кирпича; над колоснико-
вой решеткой сверх шамотного свода выложен
второй свод из красного кирпича. В конце
нижнего канала, в обеих его боковых стенках
имеются выходные окна, через которые про-
дукты сгорания из нижнего канала по верти-
кальным газоходам направляются в средний
канал (радиаторную коробку) 7 через входное
окно 10.
В боковых стенках верхней части пекар-
ной камеры имеются вертикальные газоходы,
соединяющие выходные окна 8 и И среднего
канала с входными окнами 9. 12, 15 верхнего
канала 14. Очистка верхнего канала 14 от золы
производится через очистной люк 18. Продук-
ты сгорания из верхнего канала направляются
на обогрев теплоутилизатора. состоящего из
трех котелков 16. Регулирование разрежения в
топке производится шибером 13.
В пекарной камере установлено паровое
увлажнительное устройство 6 из перфориро-
ванных труб, расположенных поперек пекар-
ной камеры. Удаление пара из посадочной зо-
ны пекарной камеры производится путем отво-
да его через газоход 5 с золотниковым шибе-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ
569
ром. Газоход 5 соединен с общим вытяжным
газоходом печи. Аварийный лаз 19 расположен
в задней стенке печи.
Достоинством печи является возмож-
ность регулирования подвода теплоты в пекар-
ную камеру от верхнего канала, путем измене-
ния подачи продуктов сгорания в окна 9, 12 и
75 в зависимости от ассортимента выпекаемых
изделий. Благодаря этому печь может выпекать
широкий ассортимент хлеба и булочных изде-
лий.
Печь ФТЛ-20 является печью малой
мощности и разработана для пекарен
Н.И. Краснопевцевым, Н.В. Беликовым,
А.И. Черновым. Площадь пода конвейера печи
8 м2. Пекарная камера тупикового типа анало-
гична камере печи ФТЛ-2. Печь имеет два
обогревательных канала: верхний, с теплопе-
редающей стенкой, выполненной из стали, и
нижний кирпичный, совмещенный с топкой.
Конвейер - цепной люлечно-подиковый. На
цепях подвешены 17 рамочных люлек разме-
ром 1400x350 мм.
На печи можно выпекать булочную ме-
лочь, подовый и формовой хлеб. Время разо-
грева печи 20...24 ч, топка слоевого типа и
приспособлена для сжигания всех видов топ-
лива. Подвод теплоты от верхнего канала в
пекарную камеру можно изменять путем отво-
да части продуктов сгорания в теплоутилиза-
тор, минуя верхний канал. Возможность такого
регулирования ограничена, так как не позволя-
ет выделить отдельные зоны верхнего канала
как это сделано в печи ФТЛ-2.
Печи с канальной системой обогрева и
рециркуляцией продуктов сгорания. Вследствие
газификации хлебопекарной промышленности
стали применяться печи с канальной системой
обогрева и рециркуляцией продуктов сгорания.
Тоннельные печи удовлетворяют современным
требованиям поточного производства, позво-
ляют организовать механизированную загрузку
и выгрузку. Большим достоинством таких пе-
чей является возможность осуществлять на-
стройку необходимых тепловых режимов по
зонам в зависимости от сорта выпекаемого
изделия. Благодаря этому в печах можно выпе-
кать широкий ассортимент изделий. Большое
распространение получила печь, разработанная
ВНИИХПом и Шебекинским машинострои-
тельным заводом марки ПХС-25.
Печь ПХС-25 (рис. 7.22) предназначена
для выпечки широкого ассортимента хлеба и
хлебобулочных изделий. Печной конвейер 2
состоит из стальной спирально-стержневой
сетки шириной 2100 мм, в пределах пекарной
камеры имеет длину 12 000 мм. Площадь сет-
чатого пода 25 м2.
Ведущий барабан 1 конвейера установлен
со стороны выгрузки. Натяжной механизм кон-
вейера - грузового типа. Ведомый барабан 9
соединен с корректир}юшим устройством,
позволяющим изменять степень натяжения
правой и левой стороны сетчатого конвейера.
Холостая ветвь 10 сетчатого конвейера под-
держивается опорными роликами. Для ограни-
чения боковых смещений сетки установлены
вертикальные ролики. Привод конвейера со-
стоит из электродвигателя, двух ременных
передач, вариатора и редуктора (7 = 1:1492).
Выходной вал редуктора соединен с валом
приводного барабана цепной передачей.
Ограждения печи - блочно-каркасного
типа с изоляцией из минеральной (шлаковой)
ваты. Наружная обшивка печи представляет
собой съемные панели, соединенные с внеш-
ним каркасом прижимными планками, закреп-
ленными винтами.
Пекарная камера ггечи // представляет
собой тоннель шириной 2420 мм, высотой
220 мм и длиной 12000 мм со стенками из лис-
товой стали. В камере расположено увлажни-
тельное устройство из труб с отверстиями. Над
конвейером у посадки и выгрузки установлены
вытяжные зонты 3 и 8.
В пекарной камере расположены два от-
дельных контура обогрева, один из которых
обслуживает зону посадочной части, а другой
контур (больший по размеру) - зону выгрузоч-
ной части печи. Каждый контур имеет топоч-
ное устройство 7 и связанную с ним систему
каналов 5 и перепускных газоходов 4. Оба то-
почных устройства соединены с дымососами 6,
расположенными рядом с топками.
Топочное устройство (рис. 7.23) состоит
из камер сгорания 5 и смешения 2. Камера сго-
рания имеет цилиндрический муфель 6, вы-
полненный из жаростойкой стали и футерован-
ный со стороны факела сгорания огнеупорным
кирпичом. Цилиндр камеры сгорания с некото-
рым зазором входит в другой цилиндр 3 каме-
ры смешения, также выполненный из жаро-
стойкой стали.
Для охлаждения стеггок камер сгорания и
смешения рециркулирующий поток продуктов
сгорания направляется через окно /, омывая
стенки камеры смешения, а затем в кольцевой
570
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Рис. 7.23. Топочное устройство печи ПХС-25
зазор 7, омывая стенки камеры сгорания. После
этого поток газов смешивается с топочными
газами (в месте выхода их из камеры сгорания),
и смесь газов направляется в систему газохо-
дов и обогревательных каналов. Топочные
устройства печи рассчитаны на сжигание газа и
жидкого топлива. Газообразное топливо сжи-
гается при помощи горелки.
Первоначальный вариант печи имел три
зоны обогрева пекарной камеры. Модернизи-
рованная печь ПХС-25М имеет только две зо-
ны.
Хлебопекарная печь марки ПХЛ являет-
ся совместной разработкой кафедры «Энерге-
тики теплотехнологии» МГУПП, концерна
МОСХЛЕБ, КБ «Пламя» и завода «Металлист»
(г. Обнинск). В этой печи реализована концеп-
ция профессора В.И. Маклюкова [11], которая
заключается в следующем:
применении обогревательных каналов в
пекарной камере с развитой поверхностью
каналов из труб;
использовании модульного принципа
конструкции печи, позволяющего производить
компоновку печи с различной площадью пода
из унифицированных узлов;
создании протяженности обогреватель-
ных зон в пекарной, соответствующей продол-
жительности (протяженности) трех периодов
процесса выпечки хлеба.
Выполнение этих условий позволило:
существенно снизить расход топлива; осущест-
влять регулирование кинетики теплоподвода в
каждой обогревательной зоне, что обеспечило
универсальность печи, т.е. возможность вы-
печки широкого ассортимента хлеба высокого
качества. Модульный принцип построения пе-
чи позволил создать ряд типоразмеров печей с
различной площадью пода: 45, 54, 63, 72, 81,90,
100 м2.
В настоящее время на основании резуль-
татов промышленных теплотехнических испы-
таний этих печей усовершенствованную конст-
рукцию печей завод «Металлист» изготовляет
под маркой ХП-1.
Рассмотрим конструкции этих печей на
примере печи с площадью пода 63 м2.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ
571
Рис. 7.24. Печь ХП-1-63
Печь ХП-1-63 (на рис. 7.24 показана
только первая половина печи) имеет пекарную
камеру 3 тоннельного типа. В пекарной камере
размещены сетчатый конвейерный под, паро-
вое увлажнительное устройство 4, трубчатые
обогревательные каналы 9. В печи два обогре-
вательных контура.
Каждый контур имеет топочное устрой-
ство 6, распределительные газоходы, при по-
мощи которых горячие продуты сгорания через
коллекторы попадают в обогревательные кана-
лы. Из каналов отработанные продукты сгора-
ния по другим газоходам отправляются в ре-
циркуляционный вентилятор, из которых одна
часть продуктов выбрасывается в дымовую
трубу, а другая - по газоходу направляется в
топочное устройство 6, в котором они охлаж-
дают наружные стенки камеры сгорания 7 и
смешиваются с высокотемпературными топоч-
ными газами в камере смешения 5.
Конвейер печи имеет рабочую 2 и холо-
стую ветви, проходящие внутри пекарной ка-
меры, что позволяет снизить потери количест-
ва теплоты конвейером. Конвейер печи имеет
задний приводной барабан, натяжной барабан
и передний барабан /, с помощью которого
можно производить центрирование сетчатого
пода по ширине пекарной камеры. В привод-
ной станции имеется вариатор скорости для
регулирования продолжительности выпечки
изделий.
Для обеспечения выпечки любого сорта
хлеба хорошего качества в печи ХП-1-63 пре-
дусмотрено пять зон, из которых первая зона -
зона увлажнения, остальные обогревательные
зоны. Оптимальный тепловой режим в каждой
зоне можно создать путем изменения подачи
продуктов сгорания в каналы, которые разме-
щены в каждой обогревательной зоне, при по-
мощи шиберов. Температурный режим в пе-
карной камере каждого контура обогрева обес-
печивается системой автоматического регули-
рования путем изменения расхода топлива в
горелках 8.
Испытания печей ПХД показали, что та-
кие печи экономичны и имеют низкий удель-
ный расход топлива (28...29 кг условного топ-
лива) на 1 т готовой продукции. Такой низкий
расход топлива обусловлен применением раз-
витой поверхностью обогревательных каналов
(двухрядный пучок труб). Испытания проводи-
лись на разных заводах при выпечке подовых
сортов хлеба из пшеничной и смеси ржаной и
пшеничной муки, а также формового хлеба и
показали высокое качество выпекаемых изде-
лий.
Печи с пароводяным и комбинированным
обогревом. В хлебопекарных печах в качестве
теплообменного устройства получили приме-
нение нагревательные (тепловые) трубки
(трубки Перкинса), в которых теплоносителем
является пароводяная смесь. Нагревательная
трубка представляет собой стальную цельнотя-
нутую трубку, заполненную на 1/3 внутреннего
объема дистиллированной водой и тщательно
заваренную с обоих концов. Применяют труб-
ки диаметром 35 мм и толщиной стенки 5,5 мм,
рассчитанные на давление 10... 13 МПа и вы-
ше. Трубки устанавливают с уклоном в сторо-
ну топки.
В топочном конце трубки происходит ки-
пение воды, пар распространяется по всей ее
длине, находящейся в пределах пекарной каме-
ры. Там он конденсируется, при этом выделя-
ется теплота фазового перехода, которая пере-
дается в пекарную камеру, а конденсат стекает
в топочный конец трубки. Таким образом,
осуществляется циркуляция воды и пара в
трубке.
Отклонение теплового режима в топке
(например, его форсирование) может привести
к нарушению режима циркуляции пара и воды
572
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Рис. 7.25. Печь ХПА-40
в трубке и выходу трубок из строя. Длительная
работа с превышением допустимого давления
(более 18 МПа) также приводит к выходу тру-
бок из строя. Причем топочные концы трубок
взрываются. Положительное свойство тепло-
вых трубок Перкинса - высокий КПД (близкий
к 100%), поэтому их применяют в печах ХВ,
УТС, АЦХ и ХПА-40.
Хлебопекарная печь ХПА-40 получила
большое распространение и применяется для
выпечки формового хлеба (рис. 7.25). В тупико-
вой пекарной камере печи размещен четырехни-
точный конвейер 3 со втулочно-роликовыми
цепями, с шагом цепи 140 мм, на котором шар-
нирно подвешены 100 рамочных люлек 2 шири-
ной 220 мм и длиной 1730 мм. На каждой люль-
ке размещены 15 хлебных форм. Общая пло-
щадь конвейерного люлечного пода 38 м2.
Конвейерные цепи движутся по направ-
ляющим на горизонтальных участках, которые
укреплены к боковым стенкам пекарной каме-
ры. На поворотах цепи огибают промежуточ-
ные звездочки, размещенные на валах. Перед-
ний вал конвейера - приводной, задний верх-
ний - натяжной. Натяжение цепей осуществля-
ется при помощи винтового или грузового уст-
ройства.
Приводная станция печи состоит из элек-
тродвигателя, вариатора скорости и редуктора.
Продолжительность выпечки регулирует ва-
риатор скорости.
Обогревательная система печи - комби-
нированная, состоит из тепловых трубок Пер-
кинса 4 и обогревательных каналов 5 и 6. Про-
дукты сгорания обогревают топочные концы
четырехрядного пучка тепловых трубок Пер-
кинса; поступают в нижний канал 6, теплопе-
редающая стенка которого имеет большое тер-
мическое сопротивление.
Из нижнего канала газы по двум верти-
кальным газоходам, размещенным в боковых
стенках печи, попадают в верхний вертикаль-
ный канал 1 с малым термическим сопротивле-
нием. Вертикальная стенка выполнена из
стального листа. Продукты сгорания из этого
канала попадают в горизонтальный канал 5,
выполненный из однорядного пучка труб. За-
тем охлажденные продукты сгорания попадают
в канал утилизатора теплоты и в дымовую тру-
бу-
В печи ХПА-40 применяется водяное ув-
лажнение поверхности горячего хлеба перед
выходом его из пекарной камеры. Для этого
применяют водяные форсунки. Стены печи
выполнены из кирпича. Опыт эксплуатации
показывает, что печь ХПА-40 надежна в экс-
плуатации, удобна в обслуживании, обеспечи-
вает хорошее качество хлеба и экономична по
расходу топлива: по данным испытаний удель-
ный расход условного топлива составляет
38...43 кг/т (хлеба).
На многих хлебозаводах эти печи объе-
динены с расстойным шкафом единым конвей-
ером и работают как расстойно-печные агрега-
ты, что позволило механизировать производст-
во формового хлеба. В печи отсутствует воз-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ
573
можность регулировать теплоподвод по зонам,
так как обогревательные каналы имеют после-
довательное соединение. Вследствие этого
печь ХПА-40 предназначена для выпечки толь-
ко формового хлеба.
Печи с электрическим обогревом имеют
простую конструкцию и оснащены автомати-
ческим регулированием температурного режи-
ма. В качестве нагревательных элементов ис-
пользуются трубчатые электрические нагрева-
тели (ТЭН). Отсутствие топочных устройств,
обогревательных каналов, применение тепло-
изоляции из минеральной ваты существенно
облегчает конструкцию и позволяет устанавли-
вать печь на любом этаже здания. Автоматиче-
ское регулирование температурного режима по
зонам пекарной камеры обеспечивает опти-
мальный режим выпечки. Разработан ряд кон-
струкций хлебопекарных печей с электриче-
ским обогревом:
с тупиковой пекарной камерой П-104 и
П-119 соответственно с площадью пода 25 и
8 м2;
с тоннельной пекарной камерой ХПС с
площадью пода 25 и 40 м2;
в блочном исполнении из унифицирован-
ных узлов с тупиковой пекарной камерой
Ш2-ХПА-10, Ш2-ХПА-16 и Ш2-ХПА-25 (10,
16, 25 - площадь пода, м2).
Печь П-104 (рис. 7.26) имеет площадь
пода 25 м2. Она предназначена для выпечки
широкого ассортимента хлебобулочный изде-
лий. Обмуровка печи 8 - блочно-каркасная с
засыпной изоляцией. В пекарной камере тупи-
кового типа размещен двухниточный конвейер
2 с втулочно-роликовыми цепями и шагом
140 мм с промежуточным валом 5. На конвейе-
ре шарнирно подвешены 34 рамочных люльки
12 размером 350x2000 мм. Для выпечки подо-
вых изделий люльки имеют съемные стальные
подики размером 350x2000 мм. Передний вал 3
конвейера является приводным, а задний с
блоком 10 - натяжным (снабжен винтовым
натяжным устройством). Движение конвейера
прерывистое, ритм его обеспечивает реле вре-
мени, сблокированное с концевым выключате-
лем на валу редуктора. Изменением времени
останова конвейера можно регулировать про-
должительность выпечки от 10 до 100 мин.
В пекарной камере печи установлено
72 ГЭНа 9 мощностью 2,5 кВт каждый. Между
ветвями конвейера установлен экран 4 из лег-
ких металлических коробов, разделяющих пе-
карную камеру по высоте на две части (верх-
нюю и нижнюю), в каждой из которых под-
держивается необходимый температурный
режим при помощи системы автоматического
регулирования. В зоне увлажнения установле-
но паровое увлажнительное устройство 7. На-
сыщенный пар низкого давления подается в
него из котельной.
Механическая выгрузка подовых изделий
производится при помощи разгрузочного уст-
ройства 13. Изделия сползаю! и подика и попа-
дают на конвейер /, передающий готовую про-
дукцию в экспедицию. В зоне посадки уста-
новлен вытяжной зонт 6. а в задней стенке уст-
роен лаз //.
Техническая характеристика печи: габа-
ритные размеры печи (в мм): 7200x3150x2270;
площадь пода 24,5 м2; общая установочная
мощность 180 кВт.
Основы теплового расчета хлебопе-
карных печей. Производительность печи:
по холодном} хлебу
^хл “ ^^/твыи •
по горячему хлебу
^г.хл “ +0,01 ПуС)/тВып ’
где щ - число изделий, размещенных по ши-
рине пода (на одной люльке); - число изде-
лий, размещенных по длине пода (число люлек
рабочей части конвейера); /яизд- масса одного
холодного изделия, кг; твып - продолжитель-
ность выпечки, мин; Пус- потеря массы за
счет усушки, %.
Тепловой баланс печного агрегата служит
основным расчетным уравнением при проекти-
ровании новых или реконструкции действую-
щих агрегатов. Составной частью теплового
баланса печного агрегата является тепловой
баланс пекарной камеры.
Тепловой баланс пекарной камеры со-
ставляют в виде удельных тепловых затрат на
выпечку ! кг горячего хлеба. В пекарную ка-
меру от обогревательных элементов (каналов,
ТЭНов, трубок Перкинса и др.) передается
теплота, которая идет на выпечку хлеба и на
компенсацию тепловых потерь.
Количество теплоты, передаваемое в пе-
карную камеру на 1 кг горячей продукции,
кДж/к г.
574
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Рис. 7.26. Печь П-104
/ 13 12
9пк - 91 + 92 + 9з + 94 + 95 + 9б + 97 + 98 ’
где
• q\- теоретический расход теплоты на
выпечку 1 кг хлеба, кДж/кг;
Я\ = ^исп (^пп — ) +
+£к<?к (^к — ^т) + (£смАс + ^х^в )0м ~ ) ’
И/исп _ количество испаренной влаги из ВТЗ во
время выпечки, кг(влаги)/кг (хлеба); й^п - эн-
тальпия перегретого пара при атмосферном
давлении и температуре среды пекарной каме-
ры на выходе из посадочного окна, кДж/кг;
/?в- энтальпия воды при температуре теста в
момент посадки в печь, кДж/кг; tK - средняя
температура корки горячего хлеба, °C; /т-
температура теста, °C; gK - масса корки в го-
рячем хлебе, кг(корки)/кг(хлеба); ск - тепло-
емкость корки, кДж/(кг °С); gCM- массовая
доля сухого вещества в мякише горячего хлеба,
кг(сухого вещества)/кг(горячего хлеба); JFX-
масса влаги в 1кг горячего хлеба в момент вы-
хода его из пекарной камеры,
кг(влаги)/кг(горячего хлеба); св - теплоем-
кость воды при температуре теста, кДж/(кг °С);
. /м - средняя температура мякиша хлеба в кон-
це выпечки; принимается /м =98 °C; ^-тем-
пература теста, °C;
• 92 _ расход теплоты на нагрев пара, по-
ступающего на увлажнение, кДж/кг;
92 = (^пп — ) + Ч (^пп — ) ’
Dn- масса насыщенного пара, поступающего
в пекарную камеру на увлажнение 1 кг тесто-
вых заготовок, кг(пара)/кг(горячих изделий);
- энтальпия насыщенного влажного пара,
поступающего в зону увлажнения пекарной
камеры, кДж/кг; DB- масса воды, поступаю-
щей в пекарную камеру на увлажнение, кг/кг;
hB~ энтальпия воды, поступающей на увлаж-
нение, кг/кг;
• ^3 - потери теплоты на нагрев вентиля-
ционного воздуха, поступающего в пекарную
камеру в результате естественной вентиляции,
кДж/кг;
93 = (^исп + )х
хср (^пк — )/(^пк — )> Р-15)
Ср - теплоемкость воздуха, принимается
Ср = 1,005 кДж/(кг °С); б/^к “ влагосодержа-
ние воздуха при /пк , кг(влаги)/кг(сухого воз-
духа); dB- влагосодержание воздуха в поме-
щении цеха, кг/кг; tB - температура воздуха в
цехе, °C;
• потери теплоты на нагрев транс-
портных устройств, конвейерных цепей, лю-
лек, сетчатого пода и других приспособлений,
кДж/кг;
94 = &цсм (^ц — zu) + &лсм ((л ) +
+£фсм (^ф — ^ф)’ (7-16)
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ
575
£ц,£л’#ф~ масса соответственно цепей, лю-
лек, форм и др, кг/кг(горячего хлеба); см-
теплоемкость металла цепей, люлек, форм,
кДж/(кг°С); - температура соответст-
венно цепей, люлек, форм при входе в пекар-
ную камеру, °C; *ц,*лДф- то же, при выходе
из пекарной камеры, °C. Если конвейер имеет
другие элементы (сетку, стальную ленту и др.),
то в формуле (7.16) они учитываются соответ;
ствующими слагаемыми:
• <75 - потери теплоты наружными огра-
ждениями пекарной камеры, кДж/кг;
Я5 ~ вое б/С7Хл ’
потери теплоты в окружающую среду, Вт;
бос = ак/п (7п — + с0Бпр/п х
х£(0,01Гп)4-(0,01т;)4 (7.17)
(7ХЛ - производительность печи, кг/ч; fn-
площадь ограждений пекарной камеры, м2;
ак - коэффициент теплоотдачи от поверхно-
сти ограждений к воздуху, Вт/(м2К); Тп - тем-
пература ограждений, К; Тв - температура стен
в помещении (принимается равной температу-
ре воздуха), К; 8пр - приведенный коэффици-
ент теплового излучения стен ограждения пе-
чи; Cq - коэффициент теплового излучения
абсолютно черного тела, Вт/(м2К4).
• 7б- потери теплоты через фундамент
пекарной камеры, кДж/кг;
Я6 ~ бфЗ,6/Схл ;
Q§- потери теплоты фундаментом пекарной
камеры;
• q~l~ потери теплоты излучением через
посадочные и разгрузочные окна пекарной
камеры в окружающую среду, кДж/кг;
Я1 ~ бл 3» 6/^хл \
а = ^ф/ф[( 0, о 17]|к )4 - (0,01ГВ )4 ]:
где Гпк - температура пекарной камеры, К;
Гв - температура стен в печном зале, К.
• q%- расход теплоты на аккумуляцию
печного агрегата при его разогреве, кДж/кг;
~ бак/(^хлт) ’
количество теплоты, затраченное на аккумуля-
цию элементами печного агрегата за период
разогрева печи т , £?ак = Q' - Q”; Q” - на-
чальное теплосодержание элементов, разме-
щенных в пекарной камере, отнесенное к нача-
лу разогрева (или началу охлаждения), кДж;
Q - конечное теплосодержание элементов,
размещенных в пекарной камере, отнесенное к
концу разогрева (или к концу охлаждения),
кДж.
Суммарный расход теплоты в пекарной
камере, Вт;
бпк — ^нк^хл/З’б .
КПД в пекарной камере, %;
Пик — (<71/<7пк ) •
Уравнение теплового баланса печного аг-
регата
Qa = бпк + бпот + бпот + бух ’
где Qa- количество теплоты, поступающей в
топочное устройство печного агрегата, Вт, в
результате сжигания топлива, Qa = Q^b/3,6 ;
вн~ низшая теплота сгорания топлива, кДж/м3
(для газового топлива), кДж/кг (для жидкого и
твердого топлива); В - часовой расход топлива
(м3/ч, кг/ч - соответственно для газового и
твердого топлива); бпот- потери теплоты то-
почным устройством, Вт; бпот = ^бн х
Х(1 -Г|т)/3,6 ; Г|т - КПД топки; бпот-поте"
ри теплоты каналами; бпот ~ бпк 0/Пк “Q +
+бпк О/Пк-1) + —; Пк’Пк- кпд каналов;
бпк’бпк- тепловая нагрузка на соответст-
вующий канал, Вт; QyX - потери теплоты с
уходящими продуктами сгорания, Вт;
576
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Сух = «(йух-йв)[(100-^мех)/100]/3,6,
^ух’^в- энтальпия соответственно уходящих
газов и холодного воздуха; <?мех - потеря теп-
лоты от механической неполноты горения, %.
Завершением расчета теплового баланса
печного агрегата является определение его ча-
сового расхода топлива (м3/ч или кг/ч):
(бпк + бпот ) 3,6
В =-----------------------------------.
СнПт -(йух -йв)[(1ОО-^мех )/100]
Удельный расход топлива (м3/ч или кг/ч)
является показателем степени использования
топлива на единицу вырабатываемой продук-
ции, ЬуЛ —\^b/gx . Для сопоставления эф-
фективности печей, работающих на различ-
ных видах топлива, используют удельный рас-
ход условного топлива, кг (условного топ-
лива)/т(хлеба):
^уд.у.т = ^удбн /бусл ’
где 2усл = 29300 кДж/кг - теплота условного
топлива.
Расчет теплообмена в пекарной камере.
Задачей расчета теплообмена в пекарной каме-
ре являются определение температуры тепло-
отдающей поверхности обогревательного эле-
мента (канала, ТЭНа, трубок Перкинса, и т.д.).
Пекарная камера разбивается на зоны, в каж-
дой из которой помещен обогревательный эле-
мент. Исходя из общего количества теплоты
2ПК, которая должна быть передана в пекар-
ную камеру, производят распределение тепло-
вых нагрузок на каждый обогревательный эле-
мент в зависимости от необходимого теплового
режима для данного сорта выпекаемой продук-
ции, 2пк ’ бпк и т д- Рассмотрим теплообмен
между плоским каналом, размещенным над
подом и тепловоспринимающей поверхностью,
состоящей из тестовых заготовок и пода.
Уравнение теплообмена в пекарной камере
бпк = ^к/п (^п — ^п.к )*“ с0^пр/пФ12 х
х [(0,017п )4 - (о, 01ГТ п )4 j,
(7.18)
где 2ПК - количество теплоты, которую пере-
дает канал (или другое обогревательное уст-
ройство) в пекарную камеру на расчетном уча-
стке этой камеры, Вт; берется из теплового
баланса пекарной камеры; ак - коэффициент
теплоотдачи при свободной конвекцией,
Вт/(м2К); /п- площадь поверхности теплооб-
мена, м2; Тп - температура теплоотдающей
поверхности, К; 7П к - температура среды пе-
карной камеры; Сц- коэффициент излучения
абсолютно черного тела, Вт/(м2 К4); ЕПр- при-
веденный коэффициент теплового излучения
системы поверхностей 7 и 2; <Р12— угловой
коэффициент излучения с поверхности тепло-
обмена 1 на тепловоспринимающую поверх-
ность 2.
Коэффициент теплоотдачи конвекцией
ак определяется из уравнения подобия для
свободной конвекции [11, 12]:
Nu = C(GrPr)^ .
Коэффициент £пр определяется при ус-
ловии <Р12 = Ф21 по формуле
епр =l/(l/ei+l/e2-l),
где £] - коэффициент теплового излучения
теплоотдающей поверхности (канала, ТЭНа и
др.); Е2_ коэффициент теплового излучения
тепловоспринимающей поверхности, завися-
щий от порядка размещения на поду выпекае-
мых изделий - коэффициента заполнения пода
V
Значение коэффициента е2 можно при-
ближенно определить по формуле
£2=Wnx+0-V)Enofl.
где £пх- коэффициент теплового излучения
поверхности выпекаемых изделий; £под- к0"
эффициент теплового излучения свободной
поверхности пода.
Температура тепловоспринимающей по-
верхности, К,
Т -t + 273
1 Т.П *Т.П т ,
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ
577
где п — V^n.x + 0 ~Ж)^под » ^п.х ~ средняя
температура поверхности хлеба на расчетном
участке пекарной камеры; £под- средняя тем-
пература свободной поверхности пода; это
экспериментальные данные.
По температуре Тп теплоотдающей по-
верхности канала выбирают его материал или
варьируют площадью теплоотдающей поверх-
ности (при увеличении площади температура
поверхности снижается). Значение этой темпе-
ратуры необходимо для дальнейшего расчета
теплообмена в каналах.
Расчет теплообмена в каналах в печах
без рециркуляции продуктов сгорания. Задачей
расчета теплообмена в каналах является опре-
деление количества теплоты, которое переда-
ется от продуктов сгорания к теплопередаю-
щей поверхности канала и, следовательно, в
пекарную камеру. Сложность расчета зависит
от конструкции канала. Рассмотрим наиболее
простой случай - это теплообмен в трубчатом
канале с малым термическим сопротивлением.
Схема пекарной камеры с каналами из сталь-
ных труб диаметром d , размещенных между
ветвями конвейера с шагом S, показана на
рис. 7.27.
Уравнение теплообмена в пекарной каме-
ре в зоне размещения пучка стальных труб
бп.к ~ ак/п (Л1 — Л1.к ) + с0епр1,2/пФ1,2 х
х[(0,01ГП )4 - (0,0)4 j +
+<-0епр1,з^пФ1,з ^(0,01Гп) — 0,01Гтп
(7.19)
Уравнение теплообмена в трубчатом ка-
нале
2п.к “ ^к/п (^г “^п )"^с0^эф/п х
х (0,01Тг)4ег-(0,01Гп')4 4 .
(7.20)
Уравнение теплового баланса канала (при
Да = 0)
епк=5р(А,-Л>к/3,6. (7.21)
В уравнениях (7.19) - (7.21) приняты сле-
дующие обозначения: Qn к - тепловой поток
Рис. 7.27. Схема канала из стальных труб
(ter -средняя температура верхней стенки пекарной
камеры; tn , tn - средняя температура
соответственно наружной и внутренней
поверхностей труб; tr , tr - температура
продуктов сгорания соответственно
на входе в канал и на выходе из него, °C)
от продуктов сгорания к теплопередающей
поверхности канала и от нее в пекарную каме-
ру, Вт; (pi 2 и Ф1 з - угловые коэффициенты
(см. рис. 7.27); ак - коэффициент теплоотдачи
конвекцией от продуктов сгорания к внутрен-
ней поверхности труб. Среднее значение коэф-
фициента теплоотдачи для ламинарного дви-
жения можно получить из формулы
Миж =O,13Re°’33Gr°Je. и
al. = Миж Хж/</. (7.22)
Для определения ак при режиме разви-
того турбулентного движения ^Re>10^j
OR
рекомендуется зависимость Ыиж =0,018Re ’ Е/.
Определяющими параметрами являются сред-
няя температура газа в трубе и внутренний
диаметр трубы или эквивалентный диаметр
канала иной формы; /п- площадь внутренней
поверхности труб, м2; Тг - средняя температу-
ра продуктов сгорания в трубах, К; Тп - сред-
няя температура внутренней поверхности стен-
ки трубы, К; Еэф - эффективный коэффициент
теплового излучения в поглощающей среде;
Д,- поглощательная способность продуктов
сгорания при средней температуре поверхно-
сти труб Тп ; Вр- расчетный расход топлива,
м3/ч; h',h* - энтальпия продуктов сгорания
соответственно на входе в пучок труб и выхо-
де из них, кДж/м3; Т|к - КПД пучка труб.
19 — 8434
578
Глава?. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
------------ Поток продуктов сгорании
-------Поток рециркуляционных газов
--------------Поток присосного воздуха
Рис. 7.28. Принципиальная схема рециркуляции продуктов сгорания
Расчет теплообмена в каналах в систе-
мах обогрева с рециркуляцией продуктов сго-
рания. В печах с рециркуляцией продуктов
сгорания применяют два вида топлива - газо-
вое или жидкое специальное печное (типа ди-
зельного). Приведенные ниже выводы получе-
ны для газового топлива: параметры продуктов
сгорания отнесены к 1м3 сожженного топлива.
Если применяется жидкое топливо, то эти па-
раметры необходимо отнести к 1 кг сожженно-
го топлива.
На рис. 7.28 приведена принципиальная
схема рециркуляции продуктов сгорания. Из
камеры сгорания выходит поток продуктов
сгорания с параметрами: 1Г - объем продуктов
сгорания, образующихся в камере сгорания при
сжигании 1 м3 газового топлива; ат- коэффи-
циент избытка воздуха продуктов сгорания;
hT- энтальпия продуктов сгорания; /т- тем-
пература продуктов сгорания;
/г = 1500... 1800 °C. Он попадает в камеру
смешения, в которую подается другой поток
низкотемпературный (250...350 °C) рецирку-
ляционных газов с параметрами ГрЦ, осрц,
Лрц, /рЦ. Через неплотности в обогреватель-
ной системе подсасывается наружный воздух.
В сечении АА камеры смешения (вблизи
камеры сгорания) происходит смешивание
этих потоков: продуктов сгорания с температу-
рой /т, рециркуляционных газов с температу-
рой Грц и наружного (присосного) воздуха. В
результате этого образуется единый поток га-
зовой смеси с параметрами 1СМ| , otCMj, /?см|,
/см|. Этот поток по газоходам направляется в
каналы системы обогрева пекарной камеры,
охлаждается, отдавая часть теплоты в пекар-
ную камеру, и подходит к дымососу с парамет-
рами ксм2, асм2 . Лсм2. (См2 (в сечении газо-
хода ББ).
После дымососа по специальному газохо-
ду рециркуляционная часть потока направляет-
ся в камеру смешения. Эта часть потока назы-
вается потоком рециркуляционных газов. Вто-
рая часть потока направляется в трубу - это
уходящие газы с параметрами 1ух , аух , Лух ,
/ух . Доли потока уходящих и рециркуляцион-
ных газов регулируются шиберами Ш-1 и Ш-2.
Температура газовой смеси в сечении АА /см|
и всегда меньше температуры /т : /см| < /т.
Во втором сечении газохода /см2 </CMj •
Следует отметить, что коэффициенты избытка
воздуха аух и арц, а также температуры /ух
и /рЦ в месте разделения потоков равны:
арц ~ аух » ^рц ~ ^ух • Основной характери-
стикой рециркуляции продуктов сгорания яв-
ляется коэффициент рециркуляции, опреде-
ляемый из соотношения
г = ^рц/^ух • (7.23)
Коэффициент рециркуляции показывает
отношение объема возвращаемых на рецирку-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ
579
ляцию продуктов горения УрЦ к объему ухо-
дящих газов Vyx в момент разделения потока
после дымососа. Коэффициент рециркуляции
изменяется в широком диапазоне и может быть
меньше или больше единицы. Объем продук-
тов сгорания УрЦ, направляемых на рецирку-
ляцию, определяется из (7.23):
V = rV
*рц ' ’ух
В сечении АА продукты сгорания из ка-
меры сгорания смешиваются с ре-
циркуляционными газами, в результате чего
получается газовая смесь с температурой ZCM .
Объем смеси газов равен сумме объемов
топочных и рециркуляционных газов:
^см 1 ~ + Урц ~ + г^ух ~ ^схсм 1 0 + г ) »
(7.24)
где Уасм1,м3/м3- объем продуктов сгорания
смеси газов при коэффициенте избытка возду-
ха асм1 •
Коэффициент избытка воздуха асм]
можно определить из соотношения:
^см! = (ат + г^ух )/(1+г) • (7-25)
Из (7.25) следует, что
г = (^см! ~ ^т )/(аух — ^см! ) ’ (7-26)
где (Хух - коэффициент избытка воздуха ухо-
дящих газов в месте отбора рециркуляционных
газов на выходе потока из дымососа.
Формулы (7.25) и (7.26) могут служить
для приближенной оценки значений асм| и г.
Энтальпия продуктов сгорания (в кДж/м3)
в сечении АА после смешивания продуктов
сгорания, поступающих из камеры сгорания, и
рециркуляционных газов равна сумме значений
их энтальпий:
^см! — ^т+^рц- (7.27)
При хорошей тепловой изоляции корот-
кого газохода для рециркуляционных газов
тепловые потери малы, и ими можно пренеб-
речь. Тогда
19*
^*рц “ rhyx ~ г^(г,а)рц’ (7.28)
где h^t а)рц - энтальпия продуктов сгорания
при температуре и коэффициенте избытка воз-
духа рециркуляционных газов, кДж на 1 м3
газа. Тогда сумму можно представить в сле-
дующем виде:
^см! = Т r/iyX . (7.29)
Из понятия энтальпии следует, что
^см I ~ VcmI (cZ)CMi •
Согласно (7.24) можно написать
^см! = ^оссм! )См I 0 + г) =
= /!t/.«)cMl(l + 4 (7.30)
где VacM । (ct )см । обозначено через условную
энтальпию ^(Г(Х)СМ| • Выражение (7.30) может
быть записано для любого сечения газохода.
При рециркуляции продуктов сгорания
объем рециркуляционных газов в г раз боль-
ше (или меньше) объема уходящих газов. Оче-
видно, что /1рЦ и /гсм по ht -диаграмме неоп-
ределимы. Тогда энтальпию газовой смеси /гсм
в любом сечении газохода можно определить
по формуле (7.30) и по заданным значениям
Гсм, (Хсм и г. Энтальпия рециркуляционных
газов определяется соотношением /*рЦ = hyxr .
Сопоставляя (7.29) и (7.30), можно записать
^см = + r^yx = ,сх)см (1 + г) • 1)
Из (7.31) следует
г = (hy “Л(^(х)см1 )/(^,а)см! -/гух ) •
(7.32)
Из (7.31) следует, что
^г,сх)см1 ~ (^т +г^ух )/(1 + г)- (7.33)
Формулы (7.25), (7.26), (7.32) и (7.33) яв-
ляются расчетными при определении темпера-
туры и смеси газов в системах обогрева печей с
580
Глава?. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
рециркуляцией продуктов сгорания. Одним из
методов определения коэффициента рецирку-
ляции может быть графический. Используя
уравнения (7.25) и (7.33), рассчитывают эн-
тальпию h^t а)см и коэффициент избытка воз-
духа асм смеси газов при различных коэффи-
циентах рециркуляции г и строят графики
'см =/(г) и асм = /('') (РИС- 7-29)- В зави-
симости от материала, из которого выполнена
обогревательная система, выбирают темпера-
туру смеси газов /см и по графику определяют
коэффициенты рециркуляции и избытка возду-
ха смеси газов.
При расчете теплообмена в каналах с ре-
циркуляцией продуктов сгорания применяют
те же уравнения (7.20) и (7.21), которые ис-
пользуются для расчета теплообмена в каналах
без рециркуляции газов. Но при этом необхо-
димо учесть специфику теплообмена. Так,
уравнение теплового баланса канала имеет вид
бпк = (^см ~ ^см + )т1к^р 0/3,6) ,
где энтальпия смеси газов hCM = h^t а)см х
х(|+г) и ^,а)см = (hr+rhyx )/(' + '') •
Из этих уравнений следует, что на тепло-
вой баланс канала будет существенно влиять
коэффициент рециркуляции, который будет
Рис. 7.29. Графическое определение
коэффициента рециркуляции г и коэффициента
избытка воздуха асм смеси газов
сказываться и на теплообмене в канале, но
только на конвективную составляющую тепло-
обмена.
Коэффициент теплоотдачи конвекцией
ак зависит от скорости wt продуктов сгора-
ния (м/с):
w, = Врг°(1 + г)(273 + /г )/(3600-273ю),
где Вр - расчетный расход топлива, м3/ч; К9-
объем продуктов сгорания при нормальных
условиях, м3/м3; со- живое сечение канала.
Скорость в каналах с рециркуляцией газов в
(1 + г) раз больше по сравнению с печами без
рециркуляции. В связи с этим в каналах с ре-
циркуляцией продуктов сгорания увеличивает-
ся роль конвективной составляющей теплооб-
мена QK = ак/п (Гг - Тп ) в уравнении тепло-
обмена в каналах (7.20).
7.2. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СУШКИ
7.2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ,
УСТРОЙСТВО И РАСЧЕТ
Оборудование для сушки применяется
для обезвоживания влажных материалов путем
подвода теплоты и испарения содержащейся в
них влаги с образованием твердого остатка
(при сушке жидких материалов) преимущест-
венно на завершающем этапе обработки биоло-
гических материалов.
В зависимости от технико-экономических
условий производства применяют оборудова-
ние для сушки периодического и непрерывного
действия. Периодический принцип действия
используется обычно в оборудовании малой
производительности, а также для сушки при
давлении, отличающемся от атмосферного.
Оборудование для сушки включает уст-
ройства для выполнения главного процесса -
сушки, а также различных вспомогательных
процессов, создающих необходимые условия
для эффективного протекания главного про-
цесса. Подвод теплоты к высушиваемому ма-
териалу осуществляется следующими спосо-
бами:
1) созданием контакта материала с нагре-
той твердой поверхностью (контактная сушка),
с газом (конвективная сушка), с нелетучей
жидкостью (как правило, жиром), являющейся
компонентом высушиваемого материала;
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СУШКИ
581
2) взаимодействием материала с энерге-
тическими полями (высокочастотными, элек-
тромагнитными, а также тепловым излучением).
Сушка осуществляется в сушильных ка-
мерах, ограждающих (в случае атмосферной
сушки) или изолирующих (в случае сушки при
давлении, отличающемся от атмосферного)
рабочее пространство от окружающего.
К устройствам, реализующим вспомога-
тельные процессы, относятся вентиляторы,
фильтры, конвейеры, циклоны, нагреватели
воздуха, распылители, грануляторы, измельчи-
тели влажных материалов.
Конструктивные особенности оборудова-
ния для сушки в значительной степени зависят
от физического состояния высушиваемых ма-
териалов: жидкого, пастообразного, твердого
или зернистого.
Одним из путей повышения эффективно-
сти работы сушильного оборудования является
интенсификация сушки, в результате которой
сокращается ее продолжительность и размеры
сушильной камеры.
Важным фактором интенсификации суш-
ки служит увеличение температуры процесса,
которое приводит к увеличению скорости пе-
редачи теплоты и переноса влаги, а также к
снижению сопротивления этому переносу. При
конвективной сушке рост температуры обу-
словливает снижение потерь теплоты с отрабо-
тавшим воздухом. Однако применение высоко-
температурных режимов приводит к усилению
теплового воздействия на высушиваемый ма-
териал, которое определяется температурой его
нагрева и продолжительностью пребывания
при этой температуре. В результате теплового
воздействия на высушиваемый термолабиль-
ный материал биологического происхождения
качество получаемого сухого продукта ухуд-
шается. Поскольку при повышении температу-
ры темп снижения качества продукта превы-
шает темп его повышения от соответствующею
сокращения продолжительности сушки, ис-
пользование такого способа интенсификации
ограничено максимально допустимым значе-
нием температуры.
Из других факторов интенсификации
процесса сушки можно отметить уменьшение
сопротивления переносу теплоты и влаги за
счет увеличения удельной поверхности высу-
шиваемого материала, а также активизацию его
гидродинамического взаимодействия с жидким
или газообразным теплоносителем. Для мате-
риалов с повышенной термолабильностью ис-
пользуют оборудование, осуществляющее не-
конвективную сушку при пониженном давле-
нии [15, 18].
Материалы, требующие сохранения на-
чальной структуры нелетучих компонентов,
обезвоживают сублимацией.
Оборудование для конвективной сушки
получило наибольшее распространение ввиду
относительной простоты его устройства и из-
готовления, возможности работы в непрерыв-
ном режиме, при большой единичной произво-
дительности на предприятиях, перерабаты-
вающих биологическое сырье, а также для
обезвоживания термолабильных материалов.
К оборудованию для конвективной сушки
относятся:
фильтры, вентиляторы, нагреватели для
подготовки воздуха:
сушильная камера с устройствами для
транспортировки продукта и придания ему
большой удельной поверхности;
комбинации циклонов, фильтров, скруб-
беров, электроосадителей, теплообменников
для обеспыливания и утилизации теплоты от-
работавшего воздуха.
Сушильные камеры, как правило, явля-
ются объектами специального проектирования.
Их расчеты основаны на теории тепло- и мас-
сообмена, а вспомогательные устройства как
нормализованные изделия обычно рассчиты-
вают по нормативным данным.
Цель расчета сушильной камеры - опре-
деление ее размеров и параметров встроенных
в нее вспомогательных устройств.
Исходная информация для расчета су-
шильной камеры включает: способ сушки;
программу предприятия по высушиванию ма-
териала; начальное и конечное относительное
содержание в нем влаги; допустимую темпера-
туру нагрева; состояние атмосферного и отра-
ботавшего воздуха (для атмосферной сушки);
параметры, определяющие скорости обмена
высушиваемого материала с носителями теп-
лоты и конденсаторами; допустимую темпера-
туру нагрева продукта или теплоносителя [8].
Общей начальной позицией расчета су-
шильной камеры независимо от способа сушки
является:
1) вычисление производительности CqH,
кг/с, по высушиваемому влажному материалу
на основе заданной его массы М\, кг, предна-
значенной для высушивания в течение общего
промежутка времени т0 (год, сезон, месяц), с
582
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
учетом нерабочего времени тНр и непроизво-
дительного рабочего времен тн:
^1hw1/(to ”тнр ~тн) • (7.34)
Вычисления по следующим общим пози-
циям зависят от способа сушки;
2) определение производительности по
выпускаемому продукту, энергетической мощ-
ности оборудования, расхода и температуры
теплоносителя, мощности других источников
энергии и ее потерь на основе составления
балансов массы и энергии;
3) определение средней скорости измене-
ния относительного содержания влаги в мате-
риале на основе уравнений кинетики тепло- и
влагопереноса, а также превращения в теплоту
энергии энергетических полей;
4) вычисление продолжительности сушки
влажных материалов;
5) расчет объемов, занимаемых при сушке
влажным материалом и теплоносителем, с уче-
том дополнительных объемов, обусловленных
перемешиванием фаз, скоростью их относи-
тельного движения, степенью рассеяния высу-
шиваемых дисперсных материалов в рабочем
пространстве;
6) вычисление геометрических размеров
сушильной камеры.
Параметры вспомогательного оборудова-
ния, как правило, определяют по нормативным
данным на основе результатов расчетов по
пп. 1 и 2.
7.2.2. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СУШКИ
ЖИДКИХ МАТЕРИАЛОВ
Специфика устройства оборудования это-
го вида обусловлена изменением физического
состояния высушиваемых материалов (перехо-
дом из жидкого в твердое в ходе обезвожива-
ния). Это обстоятельство существенно ослож-
няет транспортировку материала в сушильной
камере (при одновременном поддержании
большой его удельной поверхности), требует
сложных решений.
Для промышленной сушки жидких мате-
риалов наиболее часто применяют оборудова-
ние с конвективным подводом теплоты от на-
гретого воздуха (распылительные сушилки и
сушилки с полувзвешенным слоем зернистого
материала, орошаемым жидким высушивае-
мым продуктом), а также оборудование с кон-
тактным подводом теплоты от нагретой по-
верхности (вальцовые ленточные атмосферные
и вакуумные сушилки).
Распылительные сушилки. В распыли-
тельных сушилках для увеличения удельной
поверхности жидкие материалы распыляются в
сушильных камерах на мелкие капли форсун-
ками или быстровращающимися дисками.
Транспортировка материала в ходе его обезво-
живания, во избежание налипания на стенки
сушильной камеры, осуществляется путем
свободного осаждения частиц дисперсной фа-
зы в сушильной камере в течение времени,
необходимого для их затвердевания. Даль-
нейшая транспортировка образовавшихся по-
рошков допускает использование способов
транспортировки в условиях контакта частиц
друг с другом, а также с элементами конструк-
ции.
Распы пительные сушилки представляют
собой систему из последовательно соединен-
ных воздуховодами фильтров для обеспылива-
ния атмосферного воздуха сушильной камеры,
циклонов и других устройств (рукавных
фильтров скрубберов) для дополнительной
очистки отработавшего воздуха от высушенно-
го продукта, а также вентиляторов для транс-
портировки воздуха через систему.
Сушильная камера снабжена распылите-
лями продукта в виде механических или пнев-
матических форсунок или быстровращающих-
ся дисков, устройствами для снижения отло-
жений продукта (путем встряхивания или об-
дува воздухом стенок), для сбора порошка с
поверхности дна.
Большинство сушильных камер распыли-
тельных сушилок имеют форму вертикального
цилиндра с плоским потолком и плоским или
коническим дном. Площадь горизонтального
сечения камеры определяется площадью оро-
шения распыливаемым продуктом. Реже при-
меняются камеры другой формы.
Нагретый воздух в сушильную камеру по-
дастся со скоростью 1...2 м/с через газораспре-
делигели - кольцевые каналы, окружающие
распылители, встроенные в боковые стенки или
потолок. При дисковом распылении нагретый
воздух иногда подаюг по воздуховоду внутри
камеры под распыливающий диск. В воздухово-
дах воздух движется со скоростью около 10 м/с.
В зависимости от свойств высушиваемых
материалов и требований к качеству вырабаты-
ваемой продукции, экологической безопасно-
сти и ресурсосбережения, взрывобезопасности
распылительные сушилки могут быть оснаще-
ны дополнительными устройствами:
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СУШКИ
583
скрубберами или фильтрами для допол-
нительной очистки отработавшего воздуха;
системами для выработки агломериро-
ванных порошков с внесением в них компо-
нентов, повышающих скорость растворения;
аппаратами для досушки порошков (при
двухстадийной сушке);
устройствами для встряхивания или об-
дува стенок сушильной камеры с целью удале-
ния с них отложений продукта, мойки рабочих
поверхностей, пожаротушения и др. [36].
Система управления работой распыли-
тельной сушилки предусматривает дистанци-
онный контроль технических и технологиче-
ских параметров, автоматическое поддержание
температуры отработавшего воздуха на посто-
янном уровне, обеспечивающем заданную
влажность высушенного продукта, а также
отключение энергоснабжения систем, контро-
лируемые параметры которых достигают кри-
тических значений, блокировку работы элек-
трических нагревателей, вентиляторов и др.
Централизованный контроль и управление
распылительной сушилки осуществляется при
помощи щита.
К основным недостаткам распылитель-
ных сушилок относятся низкая объемная ин-
тенсивность сушки (большие объемы сушиль-
ных камер), а также неполная эвакуация высу-
шенных продуктов из сушильной камеры, ко-
торые связаны со следующим:
1) с неоднородностью размерного состава
частиц распыленного продукта, при которой
быстрое высыхание в зоне распыления мелких
фракций, обладающих большой удельной по-
верхностью, снижает потенциал скорости даль-
нейшего тепло- и массообмена воздуха и круп-
ных частиц. При этом продолжительность до-
сушки последних возрастает, и для сохранения
заданной конечной влажности продукта и пол-
ноты его эвакуации возникает необходимость в
увеличении размеров сушильной камеры;
2) с интенсивностью перемешивания в
сушильной камере фаз дисперсной системы
(вследствие сосредоточенного ввода в сушиль-
ную камеру высокоскоростных потоков распы-
ленного продукта и воздуха). Помимо допол-
нительного снижения потенциала тепло- и мас-
сообмена перемешивание дисперсной фазы вы-
зывает присутствие в пристенных областях
сушильной камеры частиц с разной влажно-
стью, что также требует увеличения ее разме-
ров во избежание налипания продукта на стен-
ках;
3) со значительным рассеянием частиц по
горизонтальному сечению сушильной камеры,
площадь S которого зависит от способа распы-
ления продукта. Влияние этого фактора на объ-
емную интенсивность распылительной сушки
можно показать путем анализа движения фаз.
Объем сушильной камеры V определяется
объемом воздуха, поступающего в нее за время
Т сушки распыленного продукта, а также объ-
емом пространства, необходимого для осажде-
ния частиц с относительной скоростью и;ос ,
м/с, за это же время:
K = (Gr +w0CS)t,
где Gy - объемный расход воздуха; S - пло-
щадь поверхности орошения.
При производительности сушилки по ис-
паренной влаге GB объемная интенсивность
сушки G — Gn/V выразится уравнением
G " ^в/(бу +н’ос^)т •
Очевидно, что объемная интенсивность
распылительной сушки уменьшается с увели-
чением площади горизонтального сечения су-
шильной камеры. Этот вывод подтверждает
наблюдаемую на практике более высокую объ-
емную интенсивность сушки при распылении
продуктов форсунками, чем распыливающими
дисками, которым свойственны большие зна-
чения площади орошения S.
К основным достоинствам распылитель-
ных сушилок относятся возможность исполь-
зования высокотемпературных режимов сушки
термолабильных продуктов, вследствие малых
значений Т, что снижает удельные затраты
теплоты (по сравнению с другими видами обо-
рудования для конвективной сушки) и получе-
ние высококачественных порошкообразных
продуктов.
Неполная эвакуация высушенного про-
дукта из камеры (в результате осаждения на ее
внутренних поверхностях), часто имеет место
при получении термопластичных продуктов,
что ведет к снижению качества задержанной
части продукта, его потерям и большим затра-
там на очистку внутренних поверхностей.
Улучшение условий эвакуации таких продук-
тов связано с необходимостью сверхнорматив-
ного снижения его конечной влажности, значи-
тельного увеличения энергозатрат (в результа-
те уменьшения относительной влажности от-
584
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
работавшего воздуха) и размеров сушильных
камер. Последние также значительно увеличи-
ваются при сушке материалов, характеризую-
щихся большой удельной энергией связи с
влагой или низкой влагопроводностью обра-
зующейся твердой фазы (в результате сниже-
ния движущих сил тепло- и массопереноса)
[16].
На объемную интенсивность распыли-
тельной сушки отрицательно влияет также
неравномерность плотности орошения в гори-
зонтальном сечении камеры.
Распылительная сушилка А1-ОРЧ пред-
назначена для сушки жидких пищевых продук-
тов [30] преимущественно на предприятиях
молочно-консервной, маслодельной и сыро-
дельной отраслей молочной промышленности
(рис. 7.30). Техническая характеристика су-
шилки А1-ОРЧ приведена ниже.
Производительность по испа-
ренной влаге, кг/ч............ 500
Исходное содержание сухих
веществ в жидком продукте, % . . . 30..-46
Содержание влаги в сухом про-
дукте, %...................... 4--7
Объемная интенсивность сушки
по испаренной влаге, кг/(м3ч).... 5
Объемный расход воздуха, про-
ходящею через сушильную баш-
ню, м3/ч..................... 22 000
Расход пара на 1 кг испаренной
влаги, кг.................... 3
Давление пара. МПа......... 1
Общая установленная мощ-
ность, кВт....... 113
Частота вращения распыли-
вающего диска, с'1........... 200
Габаритные размеры, м, дли-
нахширинахвысота........... 12x13x12,5
Масса, т................... 36,6
В состав распылительной сушилки вхо-
дит следующее оборудование: сушильная ка-
мера, система подачи продукта, нагреватель
воздуха, батарея циклонов, механический и
пневматический конвейеры сухого продукта,
площадка и лестницы, щит контроля и управ-
ления, электронасос, распылитель И7-ОРБ или
РЦ-1500У [30], агрегат В6-ОФА для фасовки и
упаковки высушенных порошкообразных про-
дуктов, пульт управления.
Сушильная камера распылительной су-
шилки А1-ОРЧ (рис. 7.31) цилиндрической
формы с плоским потолком и дном - разбор-
ная, имеет тепловую изоляцию, газораспреде-
Рис. 730. Распылительная сушилка А1-ОРЧ:
/ - пневмотранспорт сухого продукта; 2 - электрическая таль;
3 - сушильная камера; 4 - площадка обслуживания; 5 - система
подачи жидкого продукта; 6 - батарея циклонов; 7 - нагреватель воздуха
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СУШКИ
Рис 731. Сушильная камера:
1 - шнек; 2 - датчик температуры; 3 - дверь; 4 - канал для отвода отработавшего воздуха; 5 - ограждение;
6 - распределитель ввода нагретого воздуха; 7 - люк для освещения и наблюдения; 8 - скребковый механизм; 9 - люк для слива
моющих растворов и выгрузки сухого продукта; 10- постамент; 11 - канал подачи подогретого воздуха; 12 - люк для установки распылителя
586
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
литель, шнек, ограждения и стойки. В центре
потолка сушильной камеры находится люк для
ввода нижней части распылителя и окружаю-
щий его выходной кольцевой канал распреде-
лителя 6 нагретого воздуха.
В центре дна камеры имеются трубопро-
вод 4, осуществляющий отвод отработавшего
.воздуха вместе с мелкой фракцией порошка, а
также окно с течкой и шнеком для удаления
крупной фракции порошка.
Скребковый механизм 8 состоит из двух
радиальных штанг, прикрепленных к верти-
кальному валу в центре дна камеры. На штан-
гах шарнирно установлены скребки, переме-
щающиеся при вращении вала по дну камеры.
Сушильная камера устанавливается на
постамент 10, который фундаментными болта-
ми крепится к полу помещения.
Шнек служит для вывода крупной фрак-
ции сухого порошкообразного продукта из
камеры. Сверху корпус шнека закрыт крыш-
кой, в которой имеется смотровой люк. В ниж-
ней части корпуса находится люк 9 для спуска
воды при мойке камеры.
Система подачи продукта на распыли-
вающий диск состоит из трубопроводов и уст-
ройства для мойки распылителя, в которое
входят бачок и система трубопроводов.
Рис. 7.32. Батарея циклонов:
7 - вентилятор Ц4-76а№10;
2 - воздуховод; 3 - циклон;
4 - воздуховод для отработавшего воздуха;
5 - входной коллектор; 6 - отводной коллектор;
7 - патрубок ввода отработавшего воздуха
охладительно-пневмотранспортной системы;
8 - воздуховод для отработавшего воздуха
в смеси с мелкой фракцией порошка;
9 - смотровой люк; 10 - шлюзовой затвор
Нагреватель воздуха, предназначенный
для нагрева атмосферного воздуха и подачи его
в сушильную камеру, состоит из блока четырех
калориферов, воздушного фильтра, вентилято-
ра Ц4-76а № 10. диффузоров и воздуховодов.
Регулировка количества подаваемого воздуха
производится шибером, установленным в пат-
рубке перед диффузором.
Воздушный филыр состоит из девяти
ячеек с заполнителем из гофрированной ви-
нилпластовой сетки.
Батарея циклонов улавливает высушен-
ные частицы продукта из воздуха, уходящего
из сушильной камеры (рис. 7.32). Она состоит
из четырех одинаковых циклонов 3 шлюзовых
затворов, центробежного вентилятора Ц4-76а
№ 10 и трубопроводов. Циклоны в батарее
соединены параллельно. Воздух, содержащий
частицы продукта, по нижнему коллектору
поступает во входные патрубки циклонов, ус-
тановленные тангенциально к их цилиндриче-
ской части, где приобретает вращательное
движение. Центробежные силы отбрасывают
частицы к стенке циклона, по которой образо-
вавшийся порошок движется в его нижнюю
коническую часть и попадает в шлюзовой за-
твор. Шлюзовой затвор, предназначенный для
непрерывного удаления порошка из циклона,
приводится в движение от мотора-редуктора.
Ротор затвора, вращающийся с частотой 20 мин1,
имеет пять карманов, при помощи которых
порошок перемещается из циклона в пневмо-
провод.
Очищенный воздух выводится через осе-
вой внутренний канал и верхний коллектор в
вентилятор.
Пневмотранспортер сухого продукта,
предназначенный для транспортирования сухо-
го порошка к бункеру, состоит из воздушного
фильтра, вентилятора, охладителя, трубопро-
вода, циклона-разгрузителя и бункера готового
продукта. Воздушный фильтр, служащий для
очистки от пыли воздуха, засасываемого из
помещения, заполнен гофрированной вини пла-
стовой сеткой. Обеспыленный воздух вентиля-
тором подается в охладитель, охлаждается
протекающей по оребренным трубкам холод-
ной водой, поступает в трубопровод, где охла-
ждает подаваемый шлюзовым затвором поро-
шок.
Циклон-разгрузитель предназначен для
отделения от воздуха охлажденного порошка и
загрузки его в бункер. В бункере, имеющем
форму усеченного конуса, с частотой 18 мин-1
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СУШКИ
587
вращается ворошитель с приводом от мотора-
редуктора. Сверху бункер закрыт крышкой со
съемной сегментной частью; в днище бункера
имеется патрубок для выхода порошка в автомат
Б6-ОФА для фасовки и упаковки порошкооб-
разных продуктов в бумажные мешки с поли-
этиленовыми вкладышами.
Распылитель является конструктивно и
технически сложным и ответственным устрой-
ством. К важным эксплуатационным характе-
ристикам относятся долговечность механиче-
ски нагруженных элементов и бесперебойность
работы. В дисковом распылителе РЦ-1500У
вращение диска 5 на валу 4 осуществляется
электродвигателем / через редуктор, заклю-
ченный в кожух 3 (рис. 7.33). Распиливаемая
жидкость к вращающемуся диску подается
через патрубок 6.
Редуктор распылителя имеет повышаю-
щее передаточное число 4,2. Благодаря приня-
той кинематической схеме и конструкции ре-
дуктора, обеспечивающей самоцентровку шес-
терен, снижению нагрузки на зубья колеса
ведомого вала, консольной установке распили-
вающего диска, надежной циркуляционной
смазке, точности изготовления и балансировки
деталей, а также их сборке, ресурс работы
подшипников быстроходного вала достигает 10
ООО ч. Техническая характеристика распылите-
ля приведена ниже.
Производительность, кг/ч....... до 2 500
Номинальная мощность
электродвигателя, кВт............ 18,5
Частота вращения
электродвигателя, мин'1......... 2 900
Напряжение питающего тока, В . . . 380/220
Наружный диаметр
распыл и вающего диска, мм........ 210
Частота вращения, с’1.......... 200
Масса, кг...................... 611
Распылитель крепится в центре потолка
сушильной камеры фланцем 2.
Электронасос марки П8-ОНТ, предназна-
ченный для подачи жидкого продукта на рас-
ныливающий диск, состоит из одновинтового
насоса и электродвигателя. Производитель-
ность насоса автоматически регулируется из-
менением частоты вращения рабочего винта с
помощью тиристорного преобразователя, в
зависимости от температуры воздуха, уходя-
щего из сушильной камеры.
Все элементы конструкции сушилки, со-
прикасающиеся с продуктом, выполнены из
коррозионно-стойкой стали. Нагревающиеся до
высокой температуры поверхности нагревателя
воздуха, сушильной камеры и соединяющего
их воздуховода теплоизолированы.
Сушилка оборудована средствами дис-
танционного контроля и автоматического
управления процессом, пожаротушения и мой-
ки системы подачи жидкого продукта в су-
шильные камеры.
Работа распылительной сушилки состоит
в следующем. Жидкий пищевой продукт насо-
сом подается на распыливающий диск, пре-
вращающий его в аэрозоль под потолком су-
шильной камеры. Туда же через воздухорас-
пределитель вентилятором подается горячий
воздух, получаемый нагревом в паровом нагре-
вателе обеспыленного в фильтре холодного
воздуха. Капли распыленного в сушильной
башне жидкого продукта в среде горячего воз-
духа превращаются в сухие твердые частицы.
Наиболее крупные из них оседают на дно су-
шильной камеры, откуда образовавшийся по-
рошок скребковым механизмом через отвер-
стие удаляется в шнек.
Рис. 7.33. Дисковый распылитель РЦ-1500У:
/ - электродвигатель; 2 - установочный фланец;
3 - кожух редуктора; 4 - вал вращения
распиливающего диска; 5 - распыливающий диск;
6 - патрубок подачи распиливаемой жидкости
588
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Воздух с более мелкими частицами по-
рошка через трубу, находящуюся в нижней
части сушильной башни, поступает на очистку
в батарею циклонов. При помощи шлюзовых
затворов происходит удаление порошка из
циклонов. Очищенный от порошка воздух из
циклонов отводится вентилятором, который
выбрасывает его в атмосферу.
Удаленный из сушильной камеры поро-
шок шнеком транспортируется через шлюзо-
вой затвор в пневмотранспортер, где происхо-
дит его охлаждение воздухом, который забира-
ется из помещения через воздушный фильтр и
охладитель. Охлажденный воздух поступает в
пневмотранспортную линию, подхватывает
порошок, поступающий из циклонов через
шлюзовые затворы и передает его в охлажден-
ном виде в циклон-разгрузитель, оснащенный
шлюзовым раствором, из которого он направ-
ляется в бункер. Отработавший воздух из ци-
клона подается вентилятором на повторную
очистку в батарею циклонов. В бункере проис-
ходит накопление порошка, поступающего в
автомат для фасовки и упаковки сухих порош-
кообразных продуктов в бумажные мешки с
полиэтиленовым вкладышем.
Автоматическое управление и контроль
основных технологических параметров про-
цесса в сушилке осуществляется централизо-
ванно с пульта управления. При этом поддер-
жание постоянного режима сушки производит-
ся автоматически, изменением подачи жидкого
продукта в распылитель, направленным на
поддержание заданного значения температуры
отработавшего воздуха.
Расчет распылительной сушилки. По-
скольку сушка в распылительных сушилках
осуществляется за счет конвективного подвода
теплоты, первые две позиции расчета являются
общими для этой группы оборудования.
1. По формуле (7.34) вычисляют произво-
дительность CqH, кг/с, по высушиваемому
влажному материалу.
По заданным начальному ИЛ|Н и конеч-
ному значениям массовой доли влаги в
материале вычисляют его начальное и конеч-
ное влагосодержание (отношение массы влаги,
содержащейся в материале, к массе его сухой
части):
^1н=^1н(1-^нГ1; Цк=^кО-ил1кГ'-
Определяют расход сухой части влажного ма-
териала, кг/с,
G1C=G|h(I-^1h)
2. Находят температуру и расход нагрето-
го воздуха, мощность нагревателя. Для этого
составляют баланс массы процесса сушки:
G ~ ^1с(Цн “Цк ) ~ ^2с(^2к ~“^2н)’
(7.35)
где G - производительность сушильного обору-
дования по испарению влаги, кг/с; С?2с - рас-
ход сухого воздуха, кг/с; ^2н ~ /(^2 0’Фо)’
^2к =/(72к;Ф2к) - начальное и конечное
значения влагосодержания (отношение массы
пара, содержащегося во влажном воздухе,, к
массе сухой части последнего), кг/кг; могут
быть определены при помощи диаграммы со-
стояния влажного воздуха по заданным значе-
ниям температуры 7^ и 7^, К, и относи-
тельной влажности (рк, (рк для атмосферного
и отработавшего воздуха.
Производительность сушильного обору-
дования по высушенному продукту:
Йк = G]с (1 + Су к ) .
Составляют баланс теплоты процесса
сушки:
нс1 нЛ н +^2cz2h ~
— CqКС|к7]к "* ^2cz2k ^^пот’ (7.36)
в котором /2н =(c2c+cnt/2o)72H+''nGr2O;
'2к = (с2с + сп^2к)72к +гп^2к " энтальпия
воздуха, отнесенная к I кг его сухой части, по-
сле нагрева до начальной температуры Т2н (с
которой он поступает в сушильную камеру) и
отработавшего воздуха на выходе из сушильной
камеры при температуре Т2к ; гп =2493 • 10-3 -
удельная теплота парообразования воды при
О °C, Дж/кг; с2с = 1010 Дж/(кг-К) - удель-
ная теплоемкость сухого воздуха; сп =
= 1970 Дж/(кг-К) - удельная теплоемкость па-
ра, <ЦН -с1с(1~ЦН) + Цнсв, с1к—АсО~
- С71 к ) + Т/j ксв ~ удельная теплоемкость мате-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СУШКИ
589
риала до сушки и после нее; q с , св - теплоем-
кость соответственно абсолютно сухого мате-
риала и воды; Lgn0T, Вт - мощность теплооб-
мена поверхности оборудования с окружаю-
щим пространством.
Основная часть этого теплообмена при-
ходится на сушильную камеру, воздуховод,
подводящий к ней нагретый воздух, и нагрева-
тель воздуха. Принимают Lgn0T < 0,1дн • При
помощи (7.36) с учетом (7.35) вычисляют Т2Н.
Тепловая мощность нагревателя воздуха, Вт,
Ян =W2('2h-'2o)’
где /20 =(с2с +сп^2,о)^2,О +гп^2,0 •
По значению qH, посредством норма-
тивных расчетов определяют тип нагревателей
воздуха (обычно паровой, электрический или
их комбинацию), а также их число. Объемный
расход атмосферного и отработавшего воздуха,
м3/с,
СГ2,0 =С2сЛв7Ь(/7а -Фо^но);
^/'2к — ^2с^в^к (Ра — ФкРн.к )’
где /?в - газовая постоянная для воздуха;
/?в = 287 Дж/(кг К); ра - нормальное давле-
ние атмосферного воздуха; ра = 101,3 кПа;
РнОРн.к “ давление насыщенного водяного
пара при То и Тк ;
3. Продолжительность высушивания час-
тицы
^к=0Л^тахРвгп^в1А7’сп(1-И/н)(1-ИлкГ1,
К ’ II IdX ~ D 11 D Ср \ Н / \ К/ "
где Jmax - наибольший диаметр частиц вы-
сушенного продукта; рв - плотность воды,
кг/м3; ДГср -Т2Ср-Т|Ср - средняя разность
средних температур воздуха ^2Ср и частицы
Дср за время ее сушки, К; ?2к < Д*ср <
< 0,5(?2н+?2К); Тм - температура мокрого
термометра; Т2ср возрастает с повышением
однородности распыления и снижением интен-
сивности перемешивания двухфазного потока;
Г|ср зависит от природы и состава компонен-
тов жидкого материала и возрастает с увеличе-
нием сопротивления переносу влаги и пара в
твердой фазе, а также энергии ее связи с влагой
Д, < Дер < Дер-
4. Рекомендуемые конструктивные разме-
0 25
ры распыливающего диска, м: D = 0,25G^ ;
высота каналов А = 0,2£>; число каналов
z = \2QD.
5. Частота вращения диска, с1,
п = 625((M1HG1H )/о)1/3 (о/х)1/6 р/246а7х.
где % = Az - смоченный периметр каналов
распыливающего диска, м; - динамиче-
ская вязкость распыливаемой жидкости. Па с;
и - поверхностное натяжение, Н м; р| -
плотность распыливаемого материала, кг/м3.
6. Дальнобойность распыления [8]
R = l.45(G|„/(p2<
где р2 - плотность воздуха при Т2Н, кг/м3.
Скорость осаждения наибольшей части-
цы, м/с,
нос — 0’55б/тах&Р1ср/Н2к '
где Р1ср _ средняя плотность материала за
время сушки, кг/м3; Ц2к ~ динамическая вяз-
кость отработавшего воздуха, Па с.
8. Геометрические размеры сушильной
камеры:
диаметр сушильной камеры D = 2R ;
осевая скорость движения воздуха в су-
шильной камере, м/с,
w2 =V1JS',
высота цилиндрической части сушильной
камеры равна длине пути осаждения наиболь-
шей частицы за время сушки:
// = (и>ос+и>2)тк.
9. Угол между стенками конического дна
сушильной камеры принимают равным 50...60°.
590
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Вальцовые сушилки. Вальцовые сушил-
ки используются в пищевых отраслях про-
мышленности для сушки молочной сыворотки,
мездрового клея, гидролизатов, овощных пюре
и других жидких или пастообразных продук-
тов.
Вальцовые сушилки имеют один или два
медленно вращающихся на горизонтальных
валах полых вальца, обогреваемых подачей
пара во внутреннюю полость или электрона-
гревателями (рис. 7.34). Паровой нагрев вальца
предпочтительней. На трубопроводе подачи
греющего пара предусматривается, установка
предохранительного клапана для предотвра-
щения скачков давления в вальце, превышаю-
щих допустимый уровень. Жидкий продукт
непрерывно наносится на поверхность вальца
тонким равномерным по толщине слоем и вы-
сыхает на ней за один оборот. От равномерно-
сти толщины слоя продукта зависит произво-
дительность сушки и качество высушенного
продукта. Для удаления образующегося при
сушке пара, а также для интенсификации суш-
ки путем обдува слоя, над вальцом устанавли-
вают вытяжной зонт.
Высушенный продукт непрерывно удаля-
ется с поверхности вращающегося вальца не-
подвижным ножом, затем попадает в отрытый
желоб установленного под ножом шнекового
конвейера, из которого выводится через раз-
грузочный канал. Для интенсификации сушки
за счет дополнительного подвода теплоты к
наружной поверхности слоя вокруг вальца
иногда устанавливают тепловые излучатели.
Вальцовые сушилки бывают атмосфер-
ные и вакуумные. К достоинствам вальцовых
сушилок относят их компактность и меньший в
1,5-2 раза по сравнению с распылительными
сушилками удельный расход энергии.
Вместе с тем, для вальцовых сушилок ха-
рактерно более интенсивное и продолжитель-
ное тепловое воздействие на высушиваемый
продукт. При высокой ею термолабильности
это приводит к снижению качества высушен-
ного продукта. Менее удовлетворительна так-
же структура высушенных продуктов.
Ответственными элементами конструк-
ции вальцовых сушилок являются вспомога-
тельные устройства для нанесения слоя про-
дукта на валец и для удаления с вальца высу-
шенного продукта.
Смачивание поверхности вальца выпол-
няют путем окунания нижней части вальца в
ванну с жидким продуктом или установкой
двух противоположно вращающихся вальцов с
образованием узкого зазора вдоль их образую-
щей и заполнением создаваемого вальцами
желоба жидким продуктом. Толщину слоя вы-
равнивают калибровочной рейкой, снимающей
излишек жидкого продукта.
Эти способы обычно не обеспечивают
желаемой равномерности толщины слоя, в
частности, в результате износа поверхности
вальца. Более равномерный слой получают
путем набрызгивания жидкого продукта на
валец, осуществляемого различными устройст-
вами. Одно из наиболее эффективных уст-
Рис. 7.34. Вальцовая сушилка ВН08-2НЦ-01:
1 - сифонная труба для отвода конденсата; 2 - труба для подачи пара в валец;
3 - сальниковое уплотнение; 4 - валец; 5 - вытяжной зонт; 6 - подшипник;
7 - зубчатая передача; 8 - редуктор; 9 - электродвигатель; 10 - поддон; / / - нож;
12 - винтовой конвейер для отвода высушенного продукта
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ХОЛОДИЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
591
ройств представляет собой установленный под
вальцом быстро вращающийся горизонтальный
шнек, отгороженный с боков двумя щитками.
Нижняя кромка шнека окунается в ванну с
раствором. Смоченная периферия шнека раз-
брызгивает продукт, часть которого через зазор
между щитками попадает на нижнюю поверх-
ность вальца, образуя равномерную по толщи-
не пленку. Для нанесения на сушильный валец
пастообразных материалов применяют валко-
вые устройства. Дополнительно также уста-
навливают несколько валков для уплотнения
слоя продукта и восстановления его контакта с
греющей поверхностью, нарушенного в ре-
зультате интенсивного испарения влаги.
Нож для удаления продукта с поверхно-
сти вальца выполняется из стали. Для получе-
ния качественного продукта и максимальной
производительности сушилки удаление про-
дукта должно быть полным. Большое значение
при этом имеют углы заточки лезвия и уста-
новки ножа.
Ножи закреплены в колодке с двумя
упорными винтами по краям, которые создают
общее усилие прижатия лезвия к поверхности
вальца. Для регулировки локальных усилий
прижатия вдоль колодки имеется ряд прижим-
ных винтов.
Сушка слоя продукта на поверхности
вальца в основном определяется следующими
факторами [1,7]:
конденсацией греющего пара на внутрен-
ней поверхности вальца и испарением влаги из
слоя продукта на его наружной поверхности;
различными формами переноса теплоты:
теплоотдачей от конденсирующего пара к
внутренней поверхности вальца, затем тепло-
передачей через стенку и теплоотдачей к слою
продукта; за счет теплопроводности слоя - к
его свободной поверхности и конвекцией (в
виде скрытой теплоты вторичного пара) - в
окружающее пространство. Имеет место также
перенос теплоты в результате теплового излу-
чения с поверхности нагретого слоя продукта,
конвективный теплообмен этой поверхности с
окружающим воздухом;
периодическим аккумулированием и от-
дачей теплоты стенкой вальца.
По мере высушивания слоя продукта, а
также в результате цикличности процесса, ус-
ловия тепло- и массопереноса изменяются. На
начальном этапе сушки нанесенный на валец
слой продукта нагревается до некоторого зна-
чения температуры за счет избыточной тепло-
ты, аккумулированной стенкой вальца на за-
вершающем этапе сушки, а также за промежу-
ток времени между удалением с вальца высу-
шенного продукта и нанесением нового слоя.
Затем по мере израсходования аккумулирован-
ной теплоты темп роста температуры может
понизиться или произойдет кратковременное
снижение температуры. На этой стадии ско-
рость теплообмена слоя продукта с вальцем
наиболее высокая.
Если температура греющего пара выше
температуры кипения жидкого продукта, то на
наружной поверхности вальца может начаться
пузырьковое кипение слоя жидкого продукта, в
результате которого скорость теплообмена
слоя с вальцем снижается и возрастает тепло-
вое воздействие на продукт, отрицательно от-
ражающееся на его качестве (при повышенной
термолабильности продукта).
При незначительном превышении темпе-
ратуры кипения пузырьковое кипение может
быть кратковременным. При отсутствии кипе-
ния слоя жидкого продукта влага испаряется с
его поверхности. Рост температуры слоя про-
дукта возобновляется или существенно ускоря-
ется после начала выделения из жидкого про-
дукта твердой фазы. По мере ее структуриза-
ции поверхность жидкой фазы перемещается в
глубь слоя, образуя между собой и наружной
поверхностью слоя зону сушки, которая рас-
ширяется. Образование зоны сушки можно
рассматривать как начало завершающего этапа
процесса. С началом структуризации твердой
фазы в области, прилегающей к поверхности
вальца, образующийся в ней пар увлекает за
собой жидкую фазу к наружной поверхности
слоя, что ускоряет сушку.
На завершающем этапе температура слоя
продукта после ускоренного роста продолжает
расти в замедленном темпе, стремясь к темпе-
ратуре греющего пара, достигаемой при влаж-
ности продукта при этой температуре, равно-
весной по отношению к окружающему
воздуху.
Характерной особенностью жидких пи-
щевых продуктов является значительное со-
держание в них высокомолекулярных компо-
нентов, которые вследствие низкой скорости
молекулярной диффузии при испарении влаги
со свободной поверхности быстро концентри-
руются возле нее, образуя твердую фазу. При
этом продолжительность начального этапа
сушки существенно сокращается.
592
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Расчет вальцовых сушилок. Ввиду
сложности процесса контактной сушки жидких
продуктов для аналитического выражения его
кинетики обычно прибегают к упрощенной
модели тепло- и массопереноса. В частности, с
достаточной для инженерных расчетов точно-
стью можно пренебречь продолжительностью
этапа испарения со свободной поверхности
слоя жидкости, ввиду его относительной крат-
ковременности для пищевых продуктов. Для
выражения скорости сушки обычно использу-
ют принцип А.В. Лыкова, согласно которому
после начала формирования зоны сушки ско-
рость испарения влаги прямо пропорциональна
ее текущему содержанию в продукте.
Известны: начальное №н и конечное IVK
значения влажности высушиваемого продукта;
его плотность р, кг/м3, и теплоемкость г,
Дж/(кгК); наружный диаметр вальца DH, м;
толщина его цилиндрической стенки 5СТ ; ма-
териал стенки с коэффициентом теплопровод-
ности Хст , Вт/(мК); давление греющего пара
Рп, Па; коэффициент теплопроводности вы-
сушиваемого материала Хм, Вт/(м-К), и его
плотность; толщина слоя жидкого продукта на
поверхности вальца Ь, м (обусловлена спосо-
бом его нанесения и способностью удержи-
ваться на боковой поверхности вальца без сте-
кания). Для исключения кипения жидкого про-
дукта на поверхности вальца принимают ее
температуру Гсг2 = 368 К.
Требуется определить производительность
сушилки. Вначале методами теории сопротив-
ления материалов выполняют прочностной рас-
чет вальца с учетом предельного значения дав-
ления пара ртах и дополнительных нагрузок,
создаваемых давлением ножа и весом вальца.
Вычисляют:
1) плотность теплового потока через
стенку вальца, Вт/м2,
q = к(Тп — ?ст2)(1/(ап + $ст Аст) +
+(^сл Ам )ср ) ’
где к — коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 К);
Тп =/(рп) - температура греющего насы-
щенного пара, К; ап = 2,04 -
коэффициент теплоотдачи от греющего пара к
внутренней поверхности вальца; Вт/К; значения
А в зависимости от температуры пленки конден-
сата ТК = 0,5(Гп+ГСТ2) приведены ниже [20];
Т 363 373 383 393 413 433 453
А... 6820 6960 7100 7240 7420 7490 7520
5СТ, А.ст -соответственно толщина, м, и ко-
эффициент теплопроводности, Вт/(мК), стенки
вальца;
2) массу жидкого продукта, наносимого
слоем толщиной b , м, на 1 м2, и его безводной
части, кг/(м2 с),
GH =pb; Gc =<7Н(1-ЖН);
Г1> V п\ П / 7
3) массу влаги, испаряемой на 1 м2 рабо-
чей поверхности вальца в единицу времени в
начале сушки,
= я/г .
где г - удельная теплота парообразования воды
при Гст2, Дж/кг;
4) скорость сушки на начальном этапе, м/с
где U - влагосодержание продукта (масса вла-
ги, отнесенная к массе остальных компонентов
продукта);
5) продолжительность сушки при допу-
щении, что равновесное влагосодержание слоя
материала на поверхности вальца, с,
Jh
где 6/н, UK — начальное и конечное значения
влагосодержания продукта; тк -время сушки;
Кц - коэффициент скорости, значение кото-
рого определяют опытным путем; Кц >1
соответствуют продуктам со слабой связью
влаги с остальными компонентами; Кц < 1
соответствуют продуктам трудносохнущим, со
значительной энергетической связью влаги;
6) частоту вращения вальца
п = ф/(360тк),
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ХОЛОДИЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
593
где ф - угол рабочего сектора вальца, в °, оп-
ределяемый конструктивно.
Окружная скорость вальца
со = nDn4
где D = £>вн +25 - наружный диаметр валь-
ца, м; £>вн - внутренний диаметр вальца.
7) производительности сушилки по вы-
сушиваемому и высушенному продукту
GH = nDnbLpn;
Gk=Gh[^h-^k(1-^h)/(1-^k)]>
где А-длина вальца, м; рн - начальная плот-
ность продукта, кг/м3. Производительность
сушилки по испаренной влаге (7И = GH -GK .
73. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ХОЛОДИЛЬНОЙ
ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
Для холодильной обработки пищевых
продуктов посредством охлаждения воздуха в
холодильных камерах или жидких технологи-
ческих сред применяют испарители, воздухо-
охладители и охлаждающие батареи, холо-
дильные камеры и др.
7.3.1. ИСПАРИТЕЛИ
Классификация. По конструктивному
признаку испарители подразделяют на кожухо-
трубные, кожухозмеевиковые, панельные, пла-
стинчатые.
В зависимости от условий циркуляции
охлаждаемой жидкости различают испарители
двух типов:
с закрытой системой циркуляции охлаж-
даемой жидкости, прокачиваемой насосом; к
ним относятся кожухотрубные испарители;
с открытой системой циркуляции охлаж-
даемой жидкости (баком); циркуляция в испа-
рителе создается с помощью мешалки; к ним
относятся панельные испарители.
Открытую систему редко применяют в
случае охлаждения рассолов, ввиду сильной
коррозии труб и бака. Кроме того, работа с
открытой системой хладоносителя требует
применения насосов большей мощности вслед-
ствие необходимости преодоления дополни-
тельного гидростатического напора.
По характеру заполнения хладагентом
испарители делят на затопленные и незатоп-
ленные. К последним относятся оросительные,
кожухотрубные с кипением в трубах, а также
змеевиковые с верхней подачей жидкости.
Испарители делят также на группы в за-
висимости от того, на какой поверхности про-
исходит кипение хладагента: в межтрубном
пространстве (кожухотрубные затопленные,
оросительные) или внутри труб и каналов (ко-
жухотрубные с кипением в трубах, пластинча-
тые, панельные).
По характеру движения хладагента при-
меняют испарители с естественной и принуди-
тельной циркуляцией. Все известные испари-
тели относятся, как правило, к первому типу. В
оросительных и кожухотрубных испарителях с
кипением внутри труб, а также в змеевиковых
испарителях для подачи хладагента может
быть применена насосная система.
Кожухотрубные испарители затоплен-
ного типа наиболее распространены в холо-
дильных установках средней и большой произ-
водительности как в России, так и за рубежом.
В этих аппаратах хладагент кипит на наружной
поверхности труб (гладких или оребренных),
хладоноситель проходит внутри труб.
Кожухотрубные испарители обладают
некоторыми преимуществами по сравнению с
аппаратами других типов и, в частности, па-
нельными. К ним относятся: закрытая система
циркуляции хладоносителя, обеспечивающая
меньшую его аэрацию, а следовательно, мень-
шую коррозию оборудования; большая ком-
пактность; относительно высокая тепловая
эффективность и др.
Недостатком кожухотрубных испарителей
является опасность замерзания в трубах хладо-
носителя при прекращении его циркуляции [20].
Аммиачные испарители. Отечественная
промышленность выпускает аммиачные затоп-
ленные кожухотрубные испарители типа ИТГ с
площадью внутренней теплопередающей по-
верхности 40...800 м2 и холодопроизводитель-
ностью Qq =100...2000 кВт (рис. 7.35). Послед-
ние выпускаются как в виде отдельных аппара-
тов, так и в агрегатированном исполнении.
Кожухотрубный испаритель представляет
собой цилиндрический горизонтально распо-
ложенный кожух с плоскими днищами-решет-
ками, в которых развальцованы или вварены
трубы, причем трубы могут быть прямыми,
U-образными или свернутыми в змеевик. Хла-
доноситель поступает в трубы испарителя че-
рез крышки, привернутые на прокладках к
фланцам трубных решеток и присоединенные с
помощью патрубков к внешней сети хладоно-
сителя.
594
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Рис. 7.35. Аммиачный кожухотрубный
затопленный испаритель:
/ - патрубок для входа жидкого аммиака; 2 - корпус;
3,12 - крышка; 4 - слив хладоносителя; 5,6-
штуцера для входа и выхода хладоносителя;
7 - вентиль для спуска воздуха; 8 - трубная
решетка; 9 - трубы; 10 - манометр; 11-
сухопарник; 13 - маслоотстойник;
14 - кран для спуска масла
В отечественных испарителях принято
четное число ходов, что обеспечивает распо-
ложение патрубков на одной стороне аппарата.
Число ходов по хладоносителю обычно 4... 12
и выбирается таким, чтобы обеспечивалась
достаточно высокая его скорость. Хладоноси-
тель обычно подводится к нижнему штуцеру и
отводится от верхнего.
Парожидкостная смесь от регулирующего
вентиля подводится в испаритель снизу в меж-
трубное пространство. Для аппаратов с боль-
шой площадью поверхности подвод парожид-
костной смеси осуществляется от общего кол-
лектора в нескольких точках по длине испари-
теля. В верхней части испарителя предусмот-
рено свободное от труб пространство, которое
служит сухопарником. В крупных аппаратах
для обеспечения равномерного омывания по-
верхности потоком отвод пара производится с
помощью нескольких патрубков, объединен-
ных общим коллектором.
Характерным конструктивным парамет-
ром кожухотрубных испарителей является
отношение длины кожуха аппарата к его диа-
метру L/D . С увеличением отношения L/D
снижается масса аппарата из за меньшей отно-
сительной массы крышек и фланцев, уменьша-
ется число ходов при одинаковой степени по-
догрева хладоносителя, а следовательно, со-
противление проходу хладоносителя, упроща-
ется конструкция аппарата.
В аммиачных испарителях используются
стальные бесшовные гладкие трубы. Наруж-
ный диаметр и толщина стенки труб 25x2,5 мм
(для аппаратов средней производительности с
площадью поверхности до 400 м2) и 38x3 мм
(для аппаратов с площадью поверхности более
400 м2). В аппаратах зарубежных фирм уста-
навливаются стальные трубы с меньшей тол-
щиной стенки (5=2 мм).
Пучок труб - шахматный гексагональный.
Перемычки между трубами составляют 7 мм в
отечественных аппаратах и 6...7 мм в зарую-
ежных (США. Соединенном Королевстве).
Применение пучка с меньшими значениями
шага обеспечивает большую компактность
аппаратов, меньшую массу, а также зарядку
испарителя хладагентом.
Обечайка испарителя изготовлена либо из
стальных электросварных труб, либо разваль-
цована и сварена из листовой стали. Крышки
аппарата чугунные литые. Значения отношения
L/D-5...8 в аппаратах отечественных и за-
рубежных фирм Sabro и ZIRO.
Трубные решетки являются одной из
наиболее ответственных деталей кожухотруб-
ного аппарата. Их изготовляют из углероди-
стой или легированной стали. Толщина их рас-
считывается из условия прочности. Крепление
труб в решетке осуществляется, как правило,
развальцовкой их концов.
Минимальное расстояние между крайни-
ми трубами пучка и внутренней поверхностью
обечайки 15...20 мм. Поступавшее в испари-
тель масло периодически удаляется через мас-
лоотстойник, расположенный в нижней части
аппарата. Уровень жидкого аммиака поддер-
живается на высоте примерно 0,8 диаметра
кожуха [15, 18, 20].
Хладоновые испарители. Хладоновые
кожухотрубные испарители с межтрубным
кипением типа ИТР по конструкции аналогич-
ны аммиачным (рис. 7.36). Основное различие
их состоит в том, что в хладоновых испарителях
наружная поверхность труб со стороны хлада-
гента оребрена. Оребрение труб необходимо,
поскольку при малых температурных напорах,
характерных для испарителей холодильных
машин, коэффициенты теплоотдачи кипящих
хладагентов, как правило, ниже коэффициен-
тов теплоотдачи на стороне хдадоносителя.
В отечественных хладоновых кожухо-
трубных испарителях используют медные тру-
бы с накатанными по наружной поверхности
ребрами, обычно с коэффициентом оребрения
труб р ~ 3,64...4,0 . Трубы образуют шахмат-
ный ромбический пучок с углом ромба 60°,
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ХОЛОДИЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
595
Рис. 7.36. Хладоновый кожухотрубный испаритель затопленного типа:
1 - жидкостный коллектор. 2 - кожух; 3 - перегородка; 4,5- штуцера для входа и выхода рассола;
6 - крышка; 7 - предохранительный клапан; 8 - указатель уровня; 9 - штуцер для выхода хладагента;
10- манометр, 11 - кран для спуска воздуха; 12 - вентиль для спуска рассола;
13 - вентиль для спуска масла
перемычки между трубами в испарителях
средней производительности составляют 5 мм.
В испарителях, используемых при темпе-
ратуре кипения выше -40 °C, основные детали
(обечайка, крышка, фланцы, трубные решетки)
изготовляют из стали. В испарителях ИТР-35Н
и ИТРН-80, используемых в двуступенчатых
холодильных установках с температурой кипе-
ния до -80 °C, перечисленные выше детали
аппаратов изготовлены из легированной стали.
Вследствие высокой стоимости медных
накатных труб по сравнению со стальными
гладкими при проектировании хладоновых
испарителей перепады температур целесооб-
разно выбирать большими, чем при проектиро-
вании аммиачных.
Уровень заполнения межтрубного про-
странства жидкостью в хладоновых испарите-
лях должен быть ниже, чем в аммиачных, так
как при кипении хладона происходит вспени-
вание жидкости из-за наличия в ней растворен-
ного масла. Оптимальная высота уровня зави-
сит от плотности теплового потока или средне-
го температурного напора в аппарате 0 (при
0 = 7 К), высота уровня составляет примерно
0,6 диаметра кожуха. Для охлаждения приме-
няют также кожухотрубные испарители с ки-
пением хладоносителя внутри труб [20].
Панельные испарители (рис. 7.37) изго-
товляются с площадью поверхности охлажде-
ния 20...320 м2. В металлическом сварном или
железобетонном прямоугольном баке с хладо-
носителем помещены испарительные секции
панельного типа. Каждая секция с площадью
поверхности охлаждения 5 или 10 м2 состоит из
горизонтальных коллекторов и двух вертикаль-
ных стояков, образующих прямоугольную раму
с вваренными в нее штампованными сварными
Рис. 7.37. Панельный аммиачный испаритель:
1 - отделитель жидкости; 2,3,7- коллекторы соответственно для отсасывания паров, подачи
жидкого аммиака, отвода масла; 4 - мешалка; 5 - испарительная секция; 6 - маслосборник;
8 - бак; 9 - направляющая перегородка; / - аммиак; 11 - масло; 111 - рассол
596
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
панелями, собранными в секции. Все секции
объединены коллекторами для подачи жидкого
аммиака, отсасывания паров и отвода масла.
Жидкий аммиак, поступающий через
распределительный коллектор в каждую сек-
цию сверху, кипит за счет теплоты, отнимае-
мой от хладоносителя. Образующийся при
этом пар отсасывается через сборный коллек-
тор и отделитель жидкости спуска масла. Ис-
паритель снабжен маслосборником.
Для интенсивной циркуляции хладоноси-
теля в баке установлены пропеллерные мешал-
ки и направляющие перегородки. Уровень хла-
доносителя в баке поддерживается выше уров-
ня испарительных секций, а при переполнении
бака часть хладоносителя сливается по пере-
ливной трубе. Сливная труба в дне бака осво-
бождает бак от хдадоносителя.
Охлажденный хладоноситель подается к
потребителю из бака через боковое отверстие,
расположенное в торцовой стенке, а отеплен-
ный хладоноситель возвращается в отсек меж-
ду мешалкой и торцом секции. Испарители
снабжены предохранительным клапаном, ма-
новакуумметром, регулятором уровня жидкого
аммиака.
Плотность теплового потока составляет
2900...3500 Вт/м2 при 9 = 5...6 К и скорости
движения хдадоносителя 0,3...0,4 м/с.
Испарители удобны для осмотра, ремон-
та, очистки бака, на их изготовление затрачи-
вается небольшое количество дорогостоящих
стальных труб. Но они отличаются существен-
ной коррозией труб и бака вследствие большой
насыщенности рассола кислородом воздуха, а
также большим расходом электроэнергии на
привод насоса и мешалки.
Панельные аккумуляторы холода исполь-
зуются для аккумулирования холода в виде
льда, намороженного на теплопередающей
поверхности для охлаждения воды. Конструк-
ция аккумулятора холода аналогична конст-
рукции панельного испарителя.
Пластинчатые испарители типа ИПЛ
по конструктивному исполнению аналогичны
пластинчатым конденсаторам. Для интенсифи-
кации теплообмена в испарителях целесообраз-
но использовать каналы смешанного типа: сет-
чато-поточные с шириной зазора 5 = 4...5 мм
со стороны хладоносителя и ленточно-поточные
с 5 = 1...2 мм со стороны хладагента. Такие
каналы получают путем соответствующей
компоновки пластин с гофрами «в елку».
В хладоновых пластинчатых испарителях
с каналами сетчато-поточного типа при темпе-
ратуре (q = -20°С, температурном напоре
0 = 5 К и скорости хладоносителя (CaCI2) w =
= 0,4...0,6 м/с при кипении чистых хладаген-
тов коэффициент теплопередачи составляет
1440...1600 Вт/(м2К) и 150Q..1800 Вт/(м2 К)
при Zq = 0 °C [8].
При одинаковых затратах мощности на
подачу хладоносителя металлоемкость испари-
телей типа ИПЛ примерно в 1.5-3,5 раза
меньше, а компактность - в 2 - 4 раза больше,
чем в кожухотрубных испарителях.
Для ИПЛ рекомендуются следующие ре-
жимные параметры: скорость хдадоносителя
w = 0,4...0,5 м/с, кратность циркуляции чисто-
го хладагента п = 1, а маслохладоновой смеси
и = 2...3 [10, 20].
Тепловой расчет испарителей. Холодо-
производительность испарителя определяется
z-»ht
количеством теплоты , которое хладоноси-
тель должен отвести от охлаждаемого объекта.
С учетом теплопритоков на пути движения
хдадоносителя между охлаждаемым объектом
и испарителем, теплового эквивалента работы,
затрачиваемой на циркуляцию хладоносителя,
и теплопритоков через наружную поверхность
испарителя площадь поверхности испарителя
определяют по холодопроизводительности
холодильной машины Qq = 1,1... 1,2 г.
Меньшие значения числового коэффициента
относятся к большим значениям .
Из уравнения теплового баланса по вели-
чине разности энтальпий хладагента и
температур хладоносителя на входе в испари-
тель и на выходе из него определяют расходы
хладагента Ga и хдадоносителя Gs .
При проектном расчете испарителей оп-
ределяют площадь теплопередающей поверх-
ности F и объемный расход хладоносителя Vs .
Площадь теплопередающей поверхности
/? = 2о/(^)- (7.37)
где к — коэффициент теплопередачи испарите-
ля, Вт/(м2К); 0 - средний температурный
напор между хладоносителем и кипящим хла-
дагентом; обычно принимается 9 = 5 К для
аммиака и 9 = 6.. .8 К для хладонов [20].
В кожухотрубнььх и кожухозмеевиковых
испарителях 9 определяется по формуле сред-
него логарифмического температурного напора:
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ХОЛОДИЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
597
9= <р1 (р2—; (7.38)
2,31g/pl ~Z°
гр2
в панельных и во всех испарителях с мешалкой
0 = *р2 -/0’
где Zp ।, /р2 - температура соответственно
входящего в испаритель и выходящего из него
хладоносителя.
Расход циркулирующего хладоносителя
Ga определяется из условия
бо = ^рср (^pl “^р2) ’ (7.39)
где Gp - массовый расход хладоносителя, кг/с;
Ср - удельная теплоемкость хладоносителя при
рабочей температуре, Дж/(кг-К); ^pi~^p2 =
= (2...4)°С.
Таким образом,
Gp = 6o/cp(zpl ~^2) •
Объемный расход циркулирующего хла-
доносителя, м3/с,
rp=Gp/pp, (7.40)
где Рр - плотность хладоносителя, кг/м3. Ве-
личины Ср и Рр определяются в зависимости
от концентрации и рабочей температуры хла-
доносителя.
По площади геплопередающей поверхно-
сти F подбираю! испаритель, а по объемному
расходу хладоносителя - насос [18. 20].
7.3.2. ВОЗДУХООХЛАДИТЕЛИ
Воздухоохладитель предназначен для ох-
лаждения (а в большинстве случаев и для осу-
шения) воздуха. Движение воздуха в воздухо-
охладителях - принудительное.
Воздухоохладители находят широкое
применение в ряде областей (табл. 7.2). В зави-
симости от целей охлаждения воздуха и темпе-
ратурных условий их подразделяют на высоко-
температурные (с выпадением влаги в виде
росы) и низкотемперагурные (с выпадением
влаги в виде инея). В высокотемпературных
воздухоохладителях шаг ребер выбирают в
пределах 2-4 мм, а в низкотемпературных
5 -8 мм при автоматическом оттаивании инея
и 10- • 15 мм при ручном.
7.2. Техническая характеристика и области применения воздухоохладителей
Область применения Параметры воздуха перед воздухоохладителем Тепловлажностное отношение 8, кДж/кг Коэффициент влаговыпадения Вид конденсата Осушающее действие
Температура Г °C Относительная влажность (р Температура точки росы, °C
1 2 3 4 5 6 7 8
Комфортное конди- 1 20...30 Высокотем 0,4... 0,7 шературн 7...20 ые 7000... 23000 1,1 1.6 Роса Боль-
ционирование Технологическое кон- диционирование: в мясо-молочной, пищевой промыш- 10...15 0,7...0,9 5- -13 5000... 10000 1,3- -2,0 « шое «
ленности в приборострои- тельной и других 15...35 0,2...0,6 7...26 5000... 20000 1,1 •2,0 « «
отраслях промыш- ленности
598
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Продолжение табл. 7.2
1 2 3 4 5 6 7 8
Камеры дозаривания и хранения охлажденных продуктов -5...+ 8 0,8...0,9 -8...+ 3 5000... 20000 1.2--.2.0 Иней Малое
Низкотемпературные
Камеры хранения мо- роженых продуктов - 18.-30 0,9...0,95 - юооо...30000 1,1 1.3 « «
Низкотемпературные установки (термобаро- камеры, испытательные устройства и т.п.) -50..-80 - - - 1,0--.1,1 « «
Классификация воздухоохладителей.
Различают воздухоохладители поверхностные
(сухие), контактные (мокрые) и смешанные
(комбинированные).
Воздухоохладители по их расположению
в охлаждаемом объекте или относительно это-
го объекта подразделяют на подвесные (при-
стенные и потолочные), напольные и магист-
ральные. Подвесные воздухоохладители (типа
ВОП, ВОГ, НВО) обычно размещают в охлаж-
даемом помещении, напольные типа ФВП -
то же, либо вблизи от него, а магистральные
встраивают в воздуховоды, подводящие воздух
к охлаждаемым помещениям .
Подвесные и напольные воздухоохлади-
тели могут забирать воздух из охлаждаемого
помещения, а затем подавать его обратно (бес-
канальные воздухоохладители) или осуществ-
лять эти процессы (чаще одну раздачу) через
специальные каналы (канальные воздухоохла-
дители). В последнем случае обеспечивается
более равномерная подвижность воздуха в
помещении и достигается лучшее выравнива-
ние в нем температурно-влажностного режима.
Поверхностные воздухоохладители. В
поверхностных воздухоохладителях теплооб-
мен между воздухом и хладагентом или хладо-
носителем осуществляется через металличе-
скую поверхность (обычно ребристую). У по-
верхностных воздухоохладителей внутренняя
поверхность охлаждается хладагентом (непо-
средственное охлаждение) либо хладоносите-
лем. Поверхностные воздухоохладители вы-
полняют, как правило, из трубок с монолитны-
ми и насадными ребрами.
Для создания надежного контакта между
трубкой и ребром и для защиты поверхности от
коррозии применяют металлическое покрытие
собранной поверхности горячим или гальвани-
ческим способом.
В конструкциях поверхностных воздухо-
охладителей, как правило, применяют пла-
стинчатое оребрение труб, характеризующееся
большей площадью поверхности на единицу
объема и меньшим аэродинамическим сопро-
тивлением. Известны также воздухоохладители
из алюминиевых труб с накатными ребрами.
В аммиачных пластинчатых постамент-
ных (ПВО) и навесных (НВО) воздухоохлади-
телях теплообменная поверхность создана на
базе стальной бесшовной трубы диаметром
22хЦ2 мм; ребра пластинчатые стальные раз-
мером 130x130x0,3 мм насажены на четыре
трубки; расположение трубок коридорное с
расстоянием по осям труб 65 мм. Наружная
поверхность аппаратов защищена от коррозии
цинкованием. Шаг оребрения переменный: на
первых рядах (по ходу воздуха), где наиболее
интенсивно нарастает иней, 15 мм, а на после-
дующих - 7,5мм.
Потолочные воздухоохдадители типа
ВОП выпускаются четырех типоразмеров типа
Я10-АВ2 с площадью поверхности охлаждения
50 и 75 м2 (рис. 7.38), 100 и 150 м2, предназна-
чены для охлаждения воздуха в камерах хране-
ния продуктов.
Различие поверхностей охлаждения воз-
духоохладителя определяют различным шагом
оребрения и их количеством на единицу длины
трубы. Узел вентиляторов состоит из двух осе-
вых вентиляторов с электродвигателями. Воз-
духоохладители Я10-АВ2-50 и Я10-АВ2-75
имеют вентиляторы с горизонтальной осью
вращения, расположенные за батареей, а воз-
духоохладители Я10-АВ2-100 и Я10-АВ2-150-
вентиляторы с вертикальной осью вращения,
расположенные между батареями. Отепленный
воздух засасывается из камеры через всасы-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ХОЛОДИЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
599
Рис. 7.38. Воздухоохладители подвесные типов Я10-АВ2-50 и Я10-АВ2-75:
1 - батарея; 2 - поддон; 3 - вентилятор; 4 - обшивка
вход (выход) теплоносителя
(для исполнения Н80-200-01)
Рис. 7.39. Воздухоохладитель навесной типа НВО:
1 - батарея; 2 - узел вентиляторов; 3 - обогреваемый поддон; 4 - обшивка
вающие окна, расположенные у первых двух
воздухоохладителей в их задней стенке, а у
вторых двух - в нижней средней части аппара-
тов. Нормальная работа воздухоохладителя
обеспечивается систематическим удалением
инея с поверхности батарей. Для удаления инея
используются горячие пары аммиака.
Аммиачные воздухоохладители типа
НВО предназначены также для охлаждения
воздуха в камерах хранения холодильников
(рис. 7.39). Охлаждающая батарея скомпонова-
на из блоков секций, жестких несущих элемен-
тов и подвески, к которым крепят поддон,
диффузор вентиляторов и обшивку. Каждый
блок состоит из трех секций, расположенных
по высоте и собранных из шести или восьми
горизонтальных трубок диаметром 22x1,2 мм,
оребренных пластинчатыми ребрами размером
260x130x0,3 мм с шагом 15 мм в двух первых
(по ходу воздуха) рядах и 7,5 мм в шести ря-
дах. Оттаивание снеговой шубы и обогрев под-
дона осуществляются горячими парами аммиа-
ка. Воздухоохладитель подвешивают в верхней
части камеры на расстоянии не менее 400 мм
от стены.
Воздухоохладители типов ВОГ и ФВП
применяются в камерах охлаждения и одно-
фазного замораживания мяса. Воздухоохлади-
тель типа ВОГ Я10-АВ-250 (рис. 7.40) состоит
из четырех испарительных батарей /, двух
вентиляторов 2 с диффузорами и поддона 3 для
сброса и отвода талой воды. Для создания на-
правленного потока воздуха с торцовых сторон
он обшит листовым алюминием, внизу распо-
ложен поддон, с боковой стороны - диффузоры
с вентиляторами.
600
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Испарительная батарея имеет четыре ореб-
ренные секции из труб диаметром 25x22 мм,
унифицированные с секциями, применяемыми
в воздухоохладителях Я10-АВ2. Секции двух
батарей, расположенных первыми по ходу
движения воздуха, имеют шаг ребер 17,5 мм,
двух последующих - 13,4 мм. Воздухоохлади-
тель размещен в пространстве над подвесными
путями [18].
Процесс охлаждения осуществляется при
интенсивной циркуляции воздуха. Забор и на-
гнетание воздуха производятся через щели,
образованные ложным потолком и стенами.
Теплый воздух всасывается вентилятором с
одной стороны камеры, обдувает батареи и
охлажденный нагнетается в камеру с противо-
положной стороны.
Оттаивание инея с оребренной поверхно-
сти батарей осуществляется горячими парами
аммиака. Обогрев поддона осуществляется с
помощью ТЭНов или горячими парами аммиа-
ка. В первом случае воздухоохладитель обо-
значается АВ-2503, а во втором - АВ-25ОП.
Воздухоохладитель типа ФВП поста-
ментный и позволяет применять последова-
тельно-спутное воздухораспределение с реге-
нерацией влаги (рис. 7.41).
Блок 2 охлаждающих батарей состоит из
шести батарей, расположенных попарно в три
Рис. 7.41. Воздухоохладитель типа ФВП:
/ - ороситель; 2 - блок батарей;
3 - блок вентиляторов;
4 - напорная камера; 5 - каркас
яруса. Каждая батарея выполнена из четырех
секций из стальных труб диаметром 22x2,0 мм
с насаженными на них штампованными пла-
стинчатыми ребрами. В секциях нижнего яруса
батарей шаг ребер 17,5 мм, а среднего и верх-
него ярусов - 13,4 мм. Батареи соединены ме-
жду собой коллекторами диаметром 57x3,0 мм.
Коллекторы для подачи и отвода аммиака вы-
полнены из труб диаметром 76x3.0 мм. Напор-
ная камера служит основанием воздухоохлади-
теля, на ней установлен блок батарей и ороси-
тель.
Камера состоит из каркаса со съемной
обшивкой, поддона со сливным патрубком и
обогревателя в виде змеевика из труб диамет-
ром 22x2,0 мм, расположенного в поддоне.
Оттаивание инея с поверхности батарей и
обогрев поддона осуществляются горячими
парами аммиака.
Над блоком батарей установлен водяной
ороситель, распределяющий теплую воду по их
поверхности в период оттаивания. Ороситель
выполнен в виде гребенки из перфорирован-
ных труб, объединенных коллектором. Венти-
ляторный блок состоит из двух радиальных
вентиляторов с электродвигателями, смонтиро-
ванных на каркасе. Воздухоохладитель может
размещаться как непосредственно в камере
замораживания мяса у торцовых стен, так и в
проемах торцовых стен. В этом случае венти-
ляторы находятся внутри камеры. Процесс
охлаждения воздуха в камере осуществляется
при интенсивной его циркуляции. Отепленный
воздух забирается из объема камеры, продува-
ется через блок батарей, охлаждается и вновь
нагнетается в грузовое пространство камеры.
Воздухоохладители с поперечно-спираль-
ным оребрением. Для аммиачных холодильных
установок аппараты изготовляются из сталь-
ных труб. Такие воздухоохладители применя-
ют для охлаждения воздуха в камерах с темпе-
ратурой 5...-40 °C в насосно-циркуляционных
схемах с непосредственным охлаждением и в
рассольных системах охлаждения. Воздухоох-
ладители с поперечно-спиральным оребрением
выпускают трех типов: IIB0J1, НВОЛ-1 и
НВОЛ-П (П - постамешный, Н - навесной, ВО -
воздухоохладитель, Л - с ленточным попереч-
но-спиральным оребрением, П - для камер
охлаждения или замораживания продукции, I
или отсутствие цифры - для камер хранения
охлажденной или замороженной продукции).
Предусмотрена возможность верхней и
нижней подач жидкого аммиака. Опаивание
батареи осуществляется горячими парами ам-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ХОЛОДИЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
601
миака без орошения или с орошением водой,
продолжительность оттаивания 20...30 мин.
Батарея воздухоохладителя состоит из горизон-
тальных бесшовных стальных горячекатаных
труб, расположенных в 8-15 рядов по высоте и
глубине с расстоянием между рядами по высоте,
равным 75 мм для труб диаметром 25x2,5 мм и
114 мм для труб диаметром 38x3 мм. Расстояние
между осями труб в глубину составляет 65 мм.
Принудительное движение воздуха через
батарею осуществляется осевыми вентилято-
рами, установленными со стороны выхода воз-
духа. Скорость воздуха в живом сечении воз-
духоохладителя 3...5 м/с [18].
Для интенсификации наружного тепло-
обмена рассмотренных воздухоохладителей
разработан электроконвективный способ охла-
ждения среды.
Особенностью устройства воздухоохла-
дителей с электроконвективным охлаждением
является то, что охлаждаемая среда в начале
проходит через электростатическое поле, соз-
данное электродной приставкой, а затем по-
ступает к охлаждаемым теплообменным эле-
ментам, на которых рост инея происходит в
виде нитевидных кристаллов, т.е. осуществля-
ется направленное образование инея.
Воздухоохладитель работает следующим
образом (рис. 7.42). Влажный воздух, проходя
через генерирующий электрод /, ионизируется
в межэлектродном пространстве и направляет-
ся к теплообменной поверхности 2, где охлаж-
дается. Капли влаги заряжаются в межэлек-
гродном пространстве и меняют траекторию
движения в сторону оребренной поверхности,
охлаждаются на ней и образуют иней, который
по мере поступления следующего потока влаж-
ного воздуха растет в форме нитей. По мере
роста инея напряженность между остриями его
веточек и генерирующим электродом возраста-
ет, и в результате дипольной поляризации на
противоположных его сторонах происходит
накопление и разделение свободных зарядов.
По мере накопления избыточного заряда
нитевидным кристаллом на стороне, обращен-
ной к генерирующему электроду, происходит
его полный отрыв от теплообменной поверхно-
сти или частичный в том месте, где его толщи-
на минимальная. Иней сдуваемый воздушным
потоком вентилятора, уносится в охлаждаемый
объем, что позволяет поддерживать относи-
/, °C........ -45 -40 -35 -25
к, Вт/(м2 К). . . 11,3 11,6 11,9 12,5
Рис. 7.42. Схема воздухоохладигеля
с электроконвективным воздушным потоком:
1 - генерирующий электрод. 2- теплообменные
элементы воздухоохладителя; 3 - вентилятор;
4 - кожух воздухоохладителя; 5 - источник
питания. 6 - изоляторы, 7 - рама
тельную влажность среды, близкую к началь-
ной [19].
Расчет воздухоохладителя. По упро-
щенной методике расчета воздухоохладителя
определяют площадь теплопередающей по-
верхности воздухоохладителя, состояние вы-
ходящего воздуха и ею расход. Для этого сле-
дует знать; тип устанавливаемого воздухоох-
ладителя; необходимый тепловой поток через
воздухоохладитель; температуру и относитель-
ную влажность воздуха, поступающею в воз-
духоохладитель; температуру кипения хлада-
гента (q .
В /?с/-диаграмме строится процесс охлаж-
дения и определяется температурно-
влажностный режим работы воздухоохладите-
ля. Площадь теплопередающей поверхности
воздухоохладителя определяется по формуле
(7.37), где Qq тепловой поток через возду-
хоохладитель, определяемый тепловым расче-
том, Вт; к - коэффициент теплопередачи воз-
духоохладителя. Вт/(м2К); 0 - средний тем-
пературный напор между циркулирующим
воздухом и кипящим хладагентом.
Для воздухоохладителей, состоящих из
оребренных труб с нижней подачей аммиака
или хладоносителя в батареи при 0=10 К и
скорости воздуха и>в = 3...5 м/с. коэффициенты
теплопередачи в зависимости от температуры
кипения хладагента или от температуры хла-
доносителя имеют приведенные ниже значения
[18].
-15 -12 -10 -5 0 и выше
14,0 14,7 15.2 16.3 17.5
602
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Рис. 7.43. Схемы секций оребреииых
охлаждающих батарей:
а - одноколлекторная (СК); б - змеевиковая
головная (СЗГ); в - змеевиковая хвостовая (СЗХ);
г - средняя (СС); д - змеевиковая (СЗ);
е - двхколлекторная (С2К)
Рис. 7.44. Примеры компоновки
охлаждающих батарей из секций:
а - пристенной змеевиковой; б - пристенной
коллекторной; в - потолочной конструкции
Ш.Н. Кобулашвили (секции с индексом «р» -
разреженные, $ = 320 мм)
Подробные расчеты нового воздухоохла-
дителя и поверочный расчет действующего
(существующего) воздухоохладителя приведе-
ны в [16, 17,20].
Охлаждающие батареи классифицируют:
по конструкции охлаждающей поверхно-
сти - на ребристые с навивными и пластинча-
тыми ребрами, гладкотрубные и панельные;
по охлаждающему веществу - на амми-
ачные, рассольные и хладоновые;
по компоновке - на одно- и двухрядные;
по расположению - на потолочные и при-
стенные;
по исходному материалу - на стальные
(аммиачные, рассольные), стеклянные (гладко-
трубные рассольные) и медные (хладоновые).
Установлены три типа охлаждающих ба-
тарей: коллекторные однорядные пристенные и
потолочные; змеевиковые однорядные при-
стенные и потолочные; коллекторные одно-
рядные потолочные с увеличенных шагом
труб.
Схемы секций и компоновок из этих сек-
ций батарей показаны на рис. 7.43, 7.44.
При компоновке рассольных и аммиач-
ных батарей желательно, чтобы общая длина
одного шланга не превышала 80... 100 м.
Холодопроизводительность охлаждающей
батареи может быть определена по уравнению
Q6=kFe,
где F - наружная площадь поверхности труб и
ребер; 0 = tB — ta - температурный напор,
разность между температурой воздуха в камере
и средней температурой хладагента или хладо-
носителя в батарее.
Определение коэффициента теплопереда-
чи к производится с учетом конвективного и
лучистого теплообмена, а также влагообмена
[20].
7.3.3.ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ
Камеры охлаждения мяса. Совершенст-
во камер охлаждения мяса оценивается техно-
логическими, конструктивными, эксплуатаци-
онными и экономическими показателями. В
зависимости от применяемого холодильного
оборудования, системы воздухораспределения,
а также от организации процесса холодильной
обработки мяса камеры охлаждения бывают
туннельного типа, с сухими и мокрыми возду-
хоохладителями, с системой воздушного ду-
ширования, с межрядными радиационными
батареями и детандерами.
Камеры охлаждения мяса туннельного
типа обычно выполняют с продольным или
поперечным движением воздуха. В них воздух
охлаждается в воздухоохладителях, размеще-
ние которых относительно туннеля может быть
нижним, боковым и верхним.
В камерах туннельного типа с продоль-
ным движением воздуха (рис. 7.45, а) неравно-
мерность охлаждения мяса составляет 2...6 ч,
так как полутуши, находящиеся у выхода воз-
духа из туннеля, охлаждаются медленнее тех,
которые расположены у входа в туннель.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ХОЛОДИЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
603
а)
Рис. 7.45. Камеры охлаждения мяса туннельного типа:
а - с продольным движением воздуха: / - туннель; 2 - воздухоохладитель;
3 - центробежный вентилятор; 4 - перегородка; б - с поперечным движением
воздуха: / - воздухоохладитель; 2 - перегородка; 3 - охлаждаемые полутуши мяса;
4 - каркас подвесного пути
В камерах туннельного типа с попереч-
ным движением воздуха (рис. 7.45, б) имеется
перегородка, которая делит камеру на два тон-
неля. Воздух, подаваемый вентиляторами, по-
сле его охлаждения в воздухоохладителях
движется в направлении, перпендикулярном
продольной оси тоннеля.
Для равномерного охлаждения мяса в ка-
мерах применяют реверсивные вентиляторы,
позволяющие изменять направление движения
воздуха в туннеле. В этих камерах при темпе-
ратуре воздуха - 2 °C и средней скорости его
движения 2...3 м/с продолжительность охлаж-
дения полутуш составляет 16...18 ч.
Камеры с воздухоохладителями и лож-
ным потолком. В камерах с сухими воздухоох-
ладителями и ложным потолком (рис. 7.46)
охлажденный в воздухоохладителе воздух вен-
тиляторами подается под ложный потолок, а
оттуда через щели - в камеру, обдувая бедрен-
ные части полутуш. Продолжительность охла-
ждения полутуш мяса при температуре воздуха
в камере - 2 °C и скорости движения воздуха у
бедренной части полутуши 0,6 м/с составляет
20...22 ч. Канал ложного потолка выполняют
конусного сечения, причем конечная площадь
сечения канала составляет 0,15...0,3 начальной
площади его сечения. Отношение площади
сопел (щелей) к площади начального сечения
канала не превышает 0,6.
В камерах с мокрыми воздухоохладите-
лями (рис. 7.47) воздух охлаждается в резуль-
тате прямого контакта с хладоносителем. С
помощью форсунок хладоноситель, температу-
ра которого -8...- 10 С, разбрызгивается. В
результате контакта с хладоносителем охлаж-
денный и осушенный воздух через нагнета-
тельное окно направляется в камеру. Влага,
содержащаяся в воздухе, поглощается хладо-
носителем. вызывая его деконцентрацию. Оте-
пленный хладоноситель собирается в поддоне
и направляется в испаритель для охлаждения.
Недостатками этих камер является то, что
холодильное оборудование камер расположено
под потолком, увеличивая высоту камеры;
процесс охлаждения мяса (32...36 ч) сопрово-
604
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Рис. 7.46. Камера охлаждения мяса с сухим воздухоохладителем и ложным потолком:
а- с постаментным воздухоохладителем; / - постаментный воздухоохладитель;
2 - вентилятор с электродвигателем; 3 - подвесной путь; 4 - -ложный поголок;
5 - охлаждаемая туша; б - с потолочными воздухоохладителями; / - потолочный
воздухоохладитель; 2- герметичный холодильный агрегат;
3 - ложный потолок; 4 - подвесной путь
Рис. 7.47. Камера охлаждения мяса
с мокрыми воздухоохладителями:
/ - всасывающее окно для выхода теплого воздуха;
2 - трубопроводы с разбрызгивающими
форсунками; 3 - поддон; 4 - нагнетательное
окно для входа холодного воздуха;
5 - балочный каркас подвесного пути
ждается значительной усушкой, достигающей
2 %; неравномерность охлаждения бедренной и
лопаточной частей полутуш составляет 8... 10 ч;
поверхность мяса обесцвечивается капельками
хладоносителя, уносимыми воздухом; форсун-
ки часто засоряются; значительная деконцен-
трация хладоносителя усложняет эксплуата-
цию испарителей.
Камеры с системой воздушного душиро-
вания могут оборудоваться системой непосред-
ственного воздушного душирования охлаж-
даемых полутуш, а также системой душирова-
ния через межпутевые воздухоохладители
(рис. 7.48). В камере находятся воздухоохлади-
тели с системами воздуховодов, размещенными
над каркасом подвесных путей или под ними.
Расстояния между осями сопел по длине воз-
духовода 160 мм, а по ширине около 450 мм.
Сечение воздуховодов уменьшается ступенча-
то (через каждые 4...5 м), за счет высоты, при
постоянной ширине каналов. Температура воз-
духа, охлажденного в воздухоохладителях
-5...-7 °C, а его скорость 8... 10 м/с, скорость
воздушных струй в зоне бедра 1,5...2 м/с.
Камеры с межрядными радиационными
батареями плавникового или панельного типа
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ХОЛОДИЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
605
Рис. 7.48. Конструктивное оформление схем воздушною душирования:
а - через воздуховоды, расположенные над каркасом подвесного пути;
б - через воздуховоды, установленные под каркасом подвесных путей;
в - через междупутевые воздухоохладители; 7 - душируюший воздуховод;
2 - каркас подвесных путей; 3 - сопло; 4 - подвесной путь; 5 - полутуша;
6 - воздушная струя; 7 - охлаждающий змеевик
обычно выполнены в виде пластин, которые
устанавливаемые вдоль всей высоты охлаж-
даемых полутуш между подвесными путями
или только в зоне расположения бедренных
частей. Для интенсификации процесса охлаж-
дения мяса применяют комбинированную сис-
тему (воздушно-радиационную).
В камерах охлаждения воздуха с детан-
дерами (рис. 7.49) величина усушки на 0,55...
0,6 % меньше, а процесс охлаждения на 6...8 ч
протекает быстрее, чем в камерах с воздухоох-
ладителями.
Основы расчета камер охлаждения мяса.
При расчете камер охлаждения требуется оп-
ределить: продолжительность цикла холодиль-
ной обработки; объем и размеры камеры; теп-
ловую нагрузку на холодильное оборудование;
площадь поверхности охлаждающих приборов;
количество воздуха, подаваемого в камеру;
аэродинамическое сопротивление в циркуля-
ционном кольце; мощность электродвигателей
вентиляторов по исходным данным [14].
Продолжительность цикла охлаждения
полутуш мяса в камерах, с,
T = 0,0962^W^—, (7.41)
апр VK — )
где - удельная теплоемкость мяса,
Дж/(кг-К); 5 - толщина бедренной части по-
лутуши, м; рм - плотность мяса, кг/м3; осПр -
приведенный коэффициент теплоотдачи от
поверхности охлаждаемого мяса, Вт/(м2 К) [14];
/н - начальная температура в центре бедра,
°C; /с - средняя температура воздуха в камере
за цикл охлаждения, °C; /к - конечная темпе-
ратура в центре бедра после охлаждения, °C.
Продолжительность охлаждения полутуш
мяса вычисляют по закономерностям регуляр-
ного режима теплообмена:
т = —In——-
т tK - tc
(7-42)
где т - темп охлаждения, ч'1.
Вместимость камеры (кг) определяют из
выражения
Рис. 7.49. Схема камеры охлаждения
мяса с дезандером:
7 - камера; 2 - вентилятор высокого давления;
3 - теплообменник; 4 - детандер;
5 - воздуховод с соплами
606
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
где G - производительность камеры, т/сут.;
Тц - продолжительность цикла охлаждения, ч;
ТЦ=Т + ТЗ В; Т3 в - продолжительность за-
грузки и выгрузки камер с периодической за-
грузкой и выгрузкой, ч.
Площадь пола камеры, м2,
Fc=-----, (7.44)
8f
где g р - норма нагрузки, отнесенная к 1 м2
строительной площадки камер, gp = 0,225...
0,25 т/м2.
Длина подвесных путей, м,
Ln=M/Sl, (7.45)
где Ln - длина подвесных путей, м; gi -
норма нагрузки, отнесенная к 1 м подвесного
пути; gi= 0,28 т/м.
Тепловая нагрузка на холодильное обо-
рудование камеры, Вт,
60=61+62+64, (7.46)
где Qi - теплопритоки через ограждения ка-
меры; Q2 - теплопритоки от охлаждаемого
мяса; 2д ~ эксплуатационные теплопритоки
от работы электродвигателей вентиляторов;
ориентировочно 2д = (0, 1 • • А2) Q2 •
Площадь охлаждающей поверхности
приборов зависит от систем охлаждения камер.
Для камер с воздушной системой эту площадь
рассчитывают по формуле (7.37).
Площадь поверхности межрядных радиа-
ционных батарей для камер с воздушно-
радиационной системой охлаждения
F8=/8/8, (7.47)
где - суммарная длина батарей, устанавли-
ваемых в камере, м;/- теплопередающая пло-
щадь поверхности 1 м радиационной батареи,
м2.
Количество теплоты, отводимой межряд-
ными радиационными батареями,
65 = ^F, (7.48)
где qp - теплосъем междурядных радиацион-
ных батарей, Вт/м2; q = 95... 120 Вт/м2.
Количество воздуха, подаваемого в каме-
ру, зависит от скорости движения воздушного
потока в зоне бедренной части полутуши и
системы воздухораспределения.
Сначала определяют начальную скорость
воздуха, выходящего из сопла, затем объем
воздуха VB , направляемого в камеру [14]:
VB ~ ’
где - суммарная площадь всех щелей,
сопел; ; /щ - площадь одной щели
(сопла), м2.
После определения площади теплопере-
дающей поверхности воздухоохладителя и
количества воздуха, подаваемого в камеру,
производят подбор воздухоохладителей.
Затем определяют аэродинамическое со-
противление в циркуляционном кольце, со-
стоящее из падения давления воздуха на пре-
одоление местных сопротивлений и потерь
напора на трение в каналах.
Мощность электродвигателей вентилято-
ров
N3 = VBAp/r|, (7.49)
где Мэ - мощность электродвигателей, кВт;
Ар - аэродинамическое сопротивление при
движении воздуха в циркуляционном кольце,
Па; Т| - КПД вентилятора.
После определения мощности электро-
двигателей вентиляторов сравнивается дейст-
вительный теплоприток от их работы с тепло-
притоком, ориентировочно принятым при рас-
чете камеры, а затем уточняется тепловая на-
грузка и площадь поверхности охлаждающих
приборов.
Аппараты для охлаждения тушек пти-
цы. Птицу после убоя и разделки охлаждают в
воздухе, воде или льдоводяной смеси. Для реа-
лизации того или иного способа охлаждения
битой птицы в промышленности наиболее рас-
пространены аппараты туннельного типа, ап-
параты для охлаждения птицы водой (ороше-
нием или погружением) или льдоводяной сме-
сью.
Аппараты туннельного типа (рис. 7.50)
монтируют из отдельных секций, число кото-
рых определяется производительностью линии
убоя птицы. В каждой секции размещают ин-
дивидуальный воздухоохладитель. Движение
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ХОЛОДИЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
607
холодного воздуха в туннеле поперечное. Ох-
лаждаемые тушки птицы в туннеле перемеща-
ются на многоярусных тележках.
В аппарате туннельного типа при темпе-
ратуре воздуха - 8 °C и кратности циркуляции
150 объемов в 1 ч птицу охлаждают до 2...3 °C
в течение 4...5 ч (цыплята и куры) и 6...8 ч
(гуси и индейки).
Аппарат для охлаждения тушек птицы
орошением может быть с рециркуляцией воды
и без нее (рис. 7.51). Центробежные форсунки
4 для разбрызгивания воды расположены на
коллекторах в шахматном порядке и наклоне-
ны к оси конвейера. При таком их положении в
камере создается сплошная водяная завеса по
ходу движения конвейера с тушками.
В аппаратах такого типа обеспечивается
хороший обмыв поверхности тушек и быстрое
их охлаждение. Давление воды перед центро-
бежными форсунками следует поддерживать
150...200 кПа, расстояние между коллекторами
должно составлять 450 мм. Скорость движения
конвейера регулируется с помощью редуктора
и вариатора скорости.
За время прохождения тушек птицы в ап-
парате они должны охладиться до 4...5 °C.
При расчете аппарата определяют про-
должительность охлаждения тушек птицы,
объем аппарата, тепловую нагрузку на аппарат,
расход воды, число форсунок и скорость дви-
жения конвейера [14].
Рис. 7.50. Аппарат туннельного типа
для охлаждения тушек птицы:
/ - туннель; 2 - секции; 3 - вентилятор
Продолжительность охлаждения
т = 0,589/?ср[ 1п4=——-0,0912 (7.50)
\ —^с )
где /?ср - средняя толщина; принимается
/?Ср =5/б6г м, м; 8Г м - толщина грудной
мышцы тушки, м; t - средняя температура
тушек птицы в конце охлаждения; принимается
Г-6 °C;
Вместимость аппарата (конвейера), кг,
Ma = Gx .
Рис. 7.51. Аппарат для охлаждения тушек птицы орошением:
/ - трубопроводы; 2 - коллекторы; 3 - конвейер с подвесками;
4 - центробежные форсунки; 5 - камера
608
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Длина конвейера аппарата
= ^а/#к ’
где L - длина конвейера, м; qK - норма на-
грузки, отнесенная к 1 м конвейера, кг/м.
Тепловая нагрузка
Со — (ч — ^2 )^^т ’
где /| и /2 - энтальпии птицы при ее поступ-
лении и выпуске, Дж/кг; (Х^т - коэффициент,
учитывающий дополнительные теплопритоки.
Расход воды
GB =—,
С
свд^4вд
где сВд - удельная теплоемкость воды,
Дж/(кг-К); Дгвд - нагрев воды, К; Д/Вд =
= 1...2К.
Число форсунок
= -
где - производительность одной форсунки,
кг/с.
Расчет оборудования для охлаждения
рыбы водой или льдоводяной смесью. Суще-
ствующие устройства для охлаждения рыбы от-
личаются большим разнообразием. В зависимо-
сти от способа охлаждения рыбы (льдом, водой
или льдоводяной смесью, а также в Ьакууме)
применяют баки и ванны, оборудование для
охлаждения рыбы водой и льдоводяной сме-
сью, судовые вакуумные рыбоохладители и т.д.
При расчете этого оборудования требует-
ся определить: объем разовой загрузки цистер-
ны рыбой; коэффициент теплоотдачи от рыбы
к среде; продолжительность охлаждения рыбы,
количество теплоты, отводимой от рыбы при ее
охлаждении; тепловую нагрузку на водоохла-
дитель; количество циркулирующей воды;
площадь поверхности охлаждающих батарей
водоохладителя; гидравлическое сопротивле-
ние в циркуляционном кольце [14, 15].
Объем разовой загрузки цистерны рыбой
определяется по формуле
где т - масса рыбы, кг; р - плотность рыбы,
кг/м3.
Объем цистерны
= vp/q>,
где ф - отношение объема, занимаемого ры-
бой, к объему цистерны.
В зависимости от объема цистерны и
принятой формы находят размеры цистерны
(или нескольких цистерн)
Коэффициент теплоотдачи от рыбы к те-
плоотводящей среде (воде) определяют, ис-
пользуя следующее уравнение подобия:
Nu = A Re” Рг"',
где А, п, т - постоянные, входящие в крите-
риальное уравнение.
Продолжительность охлаждения рыбы
*o=bi+V
где Тн - продолжительность первого периода
охлаждения рыбы (до момента начала измене-
ния температуры в центре рыбы), с; Тр - про-
должительность второго (регулярного) периода
теплообмена (от начальной температуры в цен-
тре рыбы до конечной, заданной технологиче-
скими условиями), с.
Значение тн находится из критерия Фу-
рье, а значение Тр - по закономерностям регу-
лярного режима теплообмена [14]. Суммарное
количество теплоты, отводимое от рыбы при
охлаждении,
Qp =<2pi +СР2 -
где Qpi - количество теплоты, отводимой от
рыбы в течение первого периода охлаждения,
Дж;
Ср1 ~ nipcp Qh ~ h ) ’
Zj - средняя температура рыбы к моменту нача-
ла регулярного режима, °C; = 0(/н — /с) —»
Ср - удельная теплоемкость рыбы, Дж/(кг К);
0 - относительная среднеобъемная темпера-
тура рыбы для первого периода охлаждения;
ё = ЬС11=|-В,е-ЦРо,
tH -tc
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ХОЛОДИЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
609
, ц - корни характеристического уравнения
решения задачи теплопроводности [9]; (?р2 -
количество теплоты, отводимой от рыбы в тече-
ние второго периода охлаждения, Дж; Q^2 -
= WpCp(7|-/2) J ^2 “ средняя температура
рыбы во втором периоде охлаждения;
/ —X ZHTn
/2 = tc - \tc -1\ p ; m - темп охлаждения.
Тепловая нагрузка на водоохладитель
£?во = Qp/т0
С учетом дополнительных теплопритоков
(от наружного воздуха к поверхности цистерн,
от работающих насосов и др.) тепловая нагруз-
ка на водоохладитель
£?во = £?во^дт ’
где адт - коэффициент, учитывающий допол-
нительные теплопритоки.
Количество циркулирующей воды, м3/с
Сгв — Fpo ,
где w - скорость циркуляции воды, м/с; Fpo -
площадь сечения для циркуляции охлаждаю-
щей воды в рыбоохладителе, м2.
Площадь поверхности охлаждающей ба-
тареи водоохладителя
г — бъо
ГВО J А ’
^во^
где Аво - коэффициент теплопередачи охлаж-
дающей батареи рыбоохладителя, Вт/(м2К);
Д/ - разность между средней температурой
охлаждающей воды и средней температурой
хладоносителя, К.
Задаваясь диаметром труб охлаждающей
батареи, находят их длину, а затем производят
компоновку батареи водоохладителя.
Гидравлическое сопротивление в цирку-
ляционном кольце системы предварительного
охлаждения рыбы складывается из падения
давления на преодоление местных сопротивле-
ний и на трение в трубах.
Оборудование для охлаждения фрук-
тов и овощей. Плоды и овощи охлаждают: в
камерах с интенсивным движением воздуха; в
изотермических вагонах, авторефрижераторах
и вагонах-рефрижераторах; в вакуумных каме-
20 — 8434
рах; в установках, использующих для охлажде-
ния воду и лед.
Оборудование камер с интенсивным
движением воздуха состоит из потолочных
воздухоохладителей и системы воздухораспре-
деления, которая обеспечивает скорость дви-
жения воздуха в грузовом объеме камеры
0,8...! м/с. Система охлаждения камер может
быть централизованной и децентрализованной.
Если применяется децентрализованная
система охлаждения, то камера оборудуется
индивидуальными, хладоновыми, компрессор-
но-конденсаторными агрегатами. Находят
применение и камеры с воздушно-ледяным
охлаждением, в которых в качестве источника
охлаждения используют генератор холода.
Оборудование камеры состоит из генера-
тора холода и вентиляторов, обеспечивающих
движение воздуха в камере.
При расчете оборудования камер охлаж-
дения фруктов требуется определить тепловую
нагрузку на оборудование, количество посту-
пающей влаги и теплопередающую площадь
поверхности воздухоохладителей.
Тепловую нагрузку на оборудование оп-
ределяют для режима охлаждения фруктов
перед закладкой их на длительное хранение
или перед отправкой в район потребления, а
также для режима хранения, который начина-
ется после окончания охлаждения фруктов:
Qo = Q\ + Ql + Ql + Qx + Q3 + 04 ’
где Q[ - теплопритоки через ограждающие
конструкции, Вт; - теплопритоки от про-
дуктов при их охлаждении, Вт; Qy - тепло-
го
притоки от тары при ее охлаждении, Вт; -
теплопритоки от фруктов при их дыхании, Вт;
Q3 - теплопритоки от наружного воздуха при
вентиляции, Вт; - эксплуатационные теп-
лопритоки, Вт.
Тепловая нагрузка на холодильное обо-
рудование камеры в общем виде
Qo ~ Qo + Qy + £?вн ’
где Qy - теплоприток, связанный с искусст-
венным увлажнением воздуха, Вт; (?вн “ теп"
лоприток, подводимый воздухонагревателем,
Вт. При регулировании только температуры
воздуха в камере
0о=бо
610
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Суточное поступление фруктов и овощей
в камеру хранения допускается до 10 % ее вме-
стимости.
Влагоприток в холодильную камеру хо-
лодильника, кг/с
г п
где И^2, W3, Ид, Ид - влагоприток, соот-
ветственно вызванный диффузией водяных
паров через ограждения, от фруктов, от венти-
ляции камеры, от людей, находящихся в каме-
ре, при открытии дверей, кг/с.
Влагоприток, отводимый охлаждающими
приборами камеры, можно найти по формуле
Wo = IV + И'д ,
где И^д - влагоприток, отводимый охлаждаю-
щими приборами камеры, от увлажняющей
установки, кг/с.
Охлаждающую площадь поверхности
воздухоохладителей определяют по методике
расчета, аналогичной методике расчета площа-
ди поверхности воздухоохладителей, находя-
щихся в камерах охлаждения мяса. Разность
температур между воздухом в камере и тепло-
отводящей средой принимается равной 6...7 °C
в режиме охлаждения и 3...5 °C в режиме хра-
нения.
По найденной теплопередающей площа-
ди поверхности производится подбор воздухо-
охладителей с последующим расчетом систем
воздухораспределения.
В камерах охлаждения фруктов с интен-
сивным движением воздуха величина кратно-
сти циркуляции воздуха должна быть не мень-
ше 60 объемов в 1 ч.
7.3.4. ОБОРУДОВАНИЕ
ДЛЯ ЗАМОРАЖИВАНИЯ
Для замораживания пищевых продуктов
используют холодильные камеры и морозиль-
ные аппараты.
Камеры замораживания мяса. Холо-
дильное оборудование, которое находится в
камерах замораживания мяса мясокомбинатов
или домораживания (холодильники, распредели-
тельные), состоит из камеры охлаждающих
приборов, выполненных в виде батарей и воз-
духоохладителей.
В зависимости от организации техноло-
гических процессов камеры замораживания
могут быть одно- и двухфазного заморажива-
ния. В камеры однофазного замораживания
поступают теплые (парные) туши, а двухфазно-
го замораживания - предварительно охлажден-
ные туши.
Камеры замораживания мяса могут рабо-
тать непрерывно или периодически. В камерах
туннельного типа, работающих непрерывно,
хорошо решается поточность технологического
процесса, его автоматизация и программирова-
ние.
На пищевых предприятиях скоропортя-
щиеся пищевые продукты замораживают также
в морозильных аппаратах в расфасованном, а
часто и в упакованном виде.
При расчете камер замораживания мяса,
если задана продолжительность цикла замора-
живания, производительность камеры, темпера-
тура воздуха, а также начальная и конечная тем-
пературы мяса, то необходимо определить вме-
стимость камеры, ее площадь и размеры; тре-
буемый коэффициент теплоотдачи от заморажи-
ваемого мяса; скорость движения воздуха в зоне
расположения бедренной части замораживае-
мой полутуши, а также на выходе воздуха из
сопел; количество воздуха; тепловую нагрузку
на холодильное оборудование камеры; пло-
щадь поверхности воздухоохладителя; аэроди-
намическое сопротивление в циркуляционном
кольце и мощность электродвигателей [14].
Вместимость камеры замораживания мя-
са определяют по уравнению (7.43), а площадь
пола камеры - по формуле (7.44).
Если в камере устанавливают постамент-
ный воздухоохладитель, то строительная пло-
щадь камеры, м2
F'c = •
где /7Д - коэффициент, учитывающий допол-
нительную площадь для постаментного возду-
хоохладителя; мд= 1,1... 1,5; Fc - строитель-
ная площадь камеры без учета установки в ней
воздухоохладителя, м2.
Длину подвесных путей, необходимых
для размещения мяса, рассчитывают по урав-
нению (7.45).
В зависимости от площади камеры и с
учетом сетки колонн холодильника находят
длину и ширину камеры, где размещаются
подвесные пути.
Приведенный коэффициент теплоотдачи
при двухфазном замораживании мяса можно
найти по формуле Планка
д3рЬР R Хзм
ПР’т(/кр-/с) Р 8 ’
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ХОЛОДИЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
611
где - количество теплоты, отводимой от 1 кг
мяса при его замораживании от начальной до
конечной температуры, Дж/кг; Т - продолжи-
тельность процесса замораживания определяют
по формуле (7.41); fKp - криоскопическая
температура (начала замерзания соков в мясе),
°C; ^зм “ коэффициент терлопроводности
замороженного мяса, Вт/(м К); R,P - коэф-
фициенты, зависящие от формы и соотношения
размеров замораживаемого тела; для полутуши
мяса R = 0,0967, Р = 0,3571.
Продолжительность загрузки камер замо-
раживания и выгрузки мяса из них такие же,
как и у камер охлаждения мяса.
Скорость движения воздуха в зоне бед-
ренной части полутуши находят из условия
равенства критериев подобия для теплообмена
при вынужденном движении воздуха.
Начальную скорость воздуха, выходяще-
го из сопел различной формы, находят как
описано в [14]. Определяют суммарное коли-
чество воздуха, подаваемое в камеру, и сум-
марную площадь всех щелей (сопел).
Масса подаваемого воздуха
= ^вРв ’
где рв - плотность воздуха, подаваемого в
камеру, кг/м3.
Тепловую нагрузку на холодильное обо-
рудование камеры замораживания определяют
по уравнению (7.46).
Площадь теплопередающей поверхности
воздухоохладителя находят по формуле (7.37),
а затем осуществляется выбор приборов охла-
ждения с учетом производительности вентиля-
тора.
Аэродинамическое сопротивление в цир-
куляционном кольце камер замораживания
откладывается из падения давления на преодо-
ление местных сопротивлений (воздухоохла-
дителя, сопел, диффузора) и потерь давления
на трение в каналах и воздуховодах.
Мощность электродвигателей рассчиты-
вают по уравнению (7.49).
Воздушные морозильные аппараты по-
лучили широкое распространение для замора-
живания разнообразных продуктов раститель-
ного и животного происхождения. Они состоят
из грузового отсека и отсека воздухоохладите-
лей. В грузовом отсеке находится заморажи-
ваемый продукт, перемещаемый различными
транспортными средствами, а в отсеке возду-
хоохладителей - секции, предназначенные для
охлаждения воздуха, обогреваемый поддон для
сбора талой воды, образующейся при оттаива-
нии, а также вентиляторная установка.
В качестве транспортных средств для не-
прерывного или периодического перемещения
замораживаемых продуктов в грузовом отсеке
применяют конвейеры, гравитационные уст-
ройства. Транспортные средства приводятся в
движение электрическим или гидравлическим
приводом с плавным или со ступенчатым регу-
лированием частоты вращения.
В зависимости от типа транспортных
средств и способа замораживания пищевых
продуктов в воздухе аппараты можно класси-
фицировать на тележечные, конвейерные, гра-
витационные (проталкивающие) и флюидиза-
ционные. В тележечных, конвейерных и грави-
тационных воздушных морозильных аппаратах
продукты можно замораживать как в мелкой
расфасовке массой до 0,5 кг, так и виде блоков
массой до 10... 12 кг. В флюидизионных моро-
зильных аппаратах продукты замораживаются
россыпью в воздухе или в специальной среде.
Некоторые продукты (рыбу, мясо, творог)
замораживают в специальных формах (блок-
формах) или в противнях, которые целесооб-
разно изготовлять из металла с высокой тепло-
проводностью.
Расчет конвейерных морозильных аппа-
ратов. Если заданы производительность аппа-
рата, вид продукта и размеры замораживаемого
блока, средняя температура воздуха, начальная
и конечная температуры продукта, направле-
ние и скорость движения воздуха в аппаратах,
то при расчете конвейерных морозильных ап-
паратов необходимо определить: объем и мас-
су замораживаемого блока; продолжительность
замораживания; вместимость аппарата и число
блоков в нем; длину цепи и скорость движения
грузового конвейера аппарата; число ветвей
конвейера аппарата; количество движущегося
воздуха; тепловую нагрузку; изменение темпе-
ратуры воздуха в аппарате и среднюю лога-
рифмическую разность температур; необходи-
мую площадь поверхности воздухоохладителя
и его конструктивные размеры; аэродинамиче-
ское сопротивление циркуляционного кольца
аппарата; мощность электродвигателей венти-
ляторов.
Так как в конвейерных морозильных ап-
паратах продукты обычно замораживаются в
блок-формах, объем замороженного блока
20*
612
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
^бл ^бл^бл^бл '
где /бл’^бл’^бл ~ соответственно длина, ши-
рина, толщина блока, м.
Масса замораживаемого блока
w = Кблр.
Продолжительность замораживания по
формуле Планка
где >— - сумма тепловых сопротивлений
X,-
стенок блок-формы и слоев упаковки, м2 К/Вт.
Определяют коэффициент теплоотдачи от
блок-формы при вынужденном движении воз-
духа.
Вместимость аппарата
Ма = Gt ,
где G - производительность камеры; т - время
нахождения продукта в камере.
Количество блоков в аппарате
z§=Ma/m.
Длина цепи грузового конвейера аппарата
^ц =’
где Ьф - расстояние между осями блок-форм,
м.
Скорость движения грузового конвейера
wK = £ц/т.
Число ветвей конвейера
2в = ^ц/^к ’ >
где £к - длина ветвей конвейера, м.
По конструктивным соображениям длину
ветви конвейера принимают 5...8 м для того,
чтобы морозильные аппараты могли разме-
щаться в холодильниках с сеткой колонн 6x6 и
6x12 м.
Если предусмотрена загрузка аппарата
продуктом и выгрузка замороженных блоков
из аппарата с торцовой стены, то число ветвей
zB должно быть четным.
Определяют количество движущегося
воздуха и площадь живого сечения, которая
при поперечном движении воздуха
Лж=[(^+2^)/,(гв + 1)],
где Ь\ - зазор между звездочкой грузового
конвейера и изолированной юрцовой стенкой
аппарата, м; /| зазор межд> блок-формами по
высоте, предусмотренный для прохода возду-
ха, м.
При продольном движении воздуха
Гж =[(Z + 2*2)/1(^b + 1)],
где / - ширина ветвей конвейера; - зазор
между блок-формой и боковыми изолирован-
ными стенками аппарата, м.
Тепловая нагрузка на оборудование
Qo - Q\+ Qi + £?ci + 0ф + С?4 •
где (?ст “ тепловая нагрузка от стальных дета-
лей конвейера, Вт;
С?ст ~ ^сг^ст^х 01 “ ^2 ) ’
тст - масса 1 м грузового конвейера, кг; сст -
удельная теплоемкость стали, Дж/(кг-К); -
температура стальных элементов грузового
конвейера, нагретых вне грузового отсека, °C;
^2 - температура стальных элементов грузово-
го конвейера после их охлаждения в грузовом
отсеке аппарата, °C; - тепловая нагрузка
от блок-форм, Вт;
Сф =^%wK(/| -t2).
Шф - масса блок-форм, приходящаяся на 1 м
грузового конвейера, кг; Сф - удельная тепло-
емкость материала блок-формы, Дж/(кг-К).
Теплоприток от вентиляторов при опре-
делении тепловой нагрузки аппарата ориенти-
ровочно принимается (0,15...0,2) .
Изменение температуры воздуха в аппа-
рате рассчитывают исходя из тепловой нагруз-
ки на оборудование, расхода воздуха, его
плотности и удельной теплоемкости.
Определяют среднюю логарифмическую
разность температур между воздухом и кипя-
щим хладагентом.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
613
Площадь поверхности воздухоохладителя
находят по формуле (7.37).
Для уменьшения вредного влияния инея
на работу воздухоохладителя, он должен вы-
полняться из нескольких секций, количество
которых обычно не превышает трех.
Длина труб в каждой секции
= Пво^во//х ’
где Lc - длина труб в секции воздухоохлади-
теля, м; Пв0 - доля общей площади поверхно-
сти воздухоохладителя, приходящаяся на сек-
цию; fx - площадь поверхности 1 м оребрен-
ной трубы с принятым шагом оребрения, ха-
рактерным для данной секции, м2.
Конструктивные размеры воздухоохлади-
теля определяются площадью живого сечения
канала, в котором размещаются секции. Пло-
щадь живого сечения этого канала составляет
~ /^н ’
где GyB - объемный расход воздуха, м3/с;
и’н - скорость набегающего потока или ско-
рость в канале при отсутствии секций, м/с;
wH = 2,5...3 м/с.
Секции воздухоохладителей компонуют-
ся из отрезков труб, соединенных коллектора-
ми или калачами. Длиной отрезка трубы /тр
задаются, исходя из конструктивных сообра-
жения. Тогда ширина канала
В к ~ ^тр + 2/3,
где Вк - ширина канала, м; /тр - длина тру-
бы, м; /3 - зазор между трубами секций и бо-
ковыми стенками канала, м.
Высота канала
Нк =^к/Вк •
Число рядов труб по высоте
«1 = Hk/S1 “I -
где Sj - расстояние между трубами по высоте,
м.
Число вертикальных рядов труб в каждой
секции
тх “ ^с/^тр ’
£гр - длина труб в одном вертикальном ряду.
Число тх в каждой секции должно быть
кратным единице.
Аэродинамическое сопротивление в цир-
куляционном кольце аппарата
Др = 1,1(Арв + Аргр +Арпов +
+АРДИФ + М +Арвв),
где Арв,Аргр,Ар
ПО В ’ Д/’диф’Д/’кЛР вв
аэродинамическое сопротивление секций соот-
ветственно воздухоохладителя, в грузовом
отсеке аппарата, поворотов, диффузора, конфу-
зора, при входе воздуха в вентилятор, Па; 1,1 —
коэффициент, учитывающий аэродинамиче-
ское сопротивление трения воздуха в каналах.
Аэродинамическое сопротивление секций
воздухоохладителя определяется из предполо-
жения, что на их площади поверхности нахо-
дится снеговая шуба. Толщину снеговой шубы
можно принять на первой секции 3 мм, на вто-
рой 2 мм, на третьей 1 мм.
Для вычисления скорости движения воз-
духа во всасывающем окне следует выбирать
вентиляторы или вентилятор в зависимости от
количества движущегося воздуха и примерного
аэродинамического сопротивления в циркуля-
ционном кольце аппарата (без учета сопротив-
ления входа воздуха в вентилятор).
Для этого вентилятора находится диаметр
всасывающего окна. Затем определяется и
уточняется аэродинамическое сопротивление в
циркуляционном кольце аппарата. Мощность
электродвигателей вентиляторов находят по
формуле (7.49).
Уточнение тепловой нагрузки произво-
дится с учетом действительного теплопритока
от работы вентиляторов [14].
7.4. ОБОРУДОВАНИЕ
ДЛЯ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
7.4.1. КЛАССИФИКАЦИЯ,
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ РАСЧЕТА
Назначение массообменного оборудова-
ния состоит в изменении компонентного соста-
ва материалов. Принцип его действия основан
на избирательном диффузионном обмене от-
дельными (распределяемыми) компонентами
между их носителями (поглотителями) и обра-
батываемыми материалами через поверхность
контакта фаз. На принцип действия массооб-
менного оборудования влияют физическое
состояние фаз, организация процесса и функ-
ции рабочих органов.
614
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
В зависимости от физического состояния
взаимодействующих фаз, оборудование для
массообменных процессов выполняет:
экстрагирование компонентов из жидких
материалов;
экстрагирование компонентов из твердых
материалов;
диффузионное распределение компонен-
тов в твердых телах;
кристаллизацию компонентов растворов;
растворение твердых веществ;
абсорбцию компонентов газовых смесей
жидкими поглотителями;
адсорбцию компонентов жидкостей и га-
зов твердыми поглотителями;
ионообменное разделение компонентов
растворов.
В зависимости от организации подачи
сырья и выгрузки получаемых продуктов мас-
сообменное оборудование работает по непре-
рывному или периодическому принципу (по-
следний преимущественно на производствах
малой мощности).
В многосекционном массообменном обо-
рудовании отдельные стадии процессов вы-
полняются в разных секциях проточного рабо-
чего пространства (для уменьшения негативно-
го влияния продольного перемешивания пото-
ков взаимодействующих фаз) или в отдельных
ступенях батареи, составленной из оборудова-
ния периодического действия (для образования
встречного движения взаимодействующих
фаз).
В массообменном оборудовании полуне-
прерывного действия одна из взаимодейст-
вующих фаз периодически загружается в обо-
рудование на время заданного изменения со-
става ее компонентов, а другая - пропускается
через него в виде потока.
Рабочие органы оборудования для массо-
обменных процессов предназначены для сле-
дующего:
для образования контакта между взаимо-
действующими фазами;
для увеличения удельной поверхности
контакта фаз;
для активизации гидромеханического ре-
жима массообмена;
для транспортировки взаимодействую-
щих фаз во встречных направлениях в аппара-
тах непрерывного действия;
для механизации загрузки и выгрузки ма-
териалов в аппаратах периодического дейст-
вия;
для ограждения или изолирования рабо-
чего пространства от окружающего;
для разделения фаз после завершения
массообмена.
Повышение эффективности массообмен-
ных процессов достигается следующими путя-
ми:
1) применением рациональных техниче-
ских решений, снижающих стоимость изготов-
ления, монтажа, наладки, занимаемого произ-
водственного помещения (снижением капи-
тальных затрат). Такие решения в значитель-
ной степени являются результатом интенсифи-
кации массообменных процессов за счет акти-
визации гидромеханического взаимодействия
фаз, увеличения удельной поверхности контак-
та, применением поточного многосекционного
принципа со встречным движением потоков;
2) снижением удельного энергопотребле-
ния, расхода основных и вспомогательных
материалов, регенерацией носителей или по-
глотителей распределяемых компонентов, по-
вышением надежности оборудования, автома-
тизацией его управления, механизацией, удоб-
ством и безопасностью обслуживания, эколо-
гической безопасностью (снижением эксплуа-
тационных затрат).
При расчете массообменного оборудова-
ния в общем случае определяют количество
Za проектируемых или выбранных из числа
выпускаемых его видов массообменного обо-
рудования, необходимого для переработки
массы т'|н сырья в течение промежутка вре-
мени тп (год, сезон, месяц, сутки), определяе-
мого программой работы предприятия.
Из технологического регламента извест-
ны: начальные концентрации (массовые доли)
распределяемого компонента в сырье С|н, в
его носителе (поглотителе) С2Н , а также в
продуктах массообменного процесса С| к и
С2к, удельная площадь поверхности сырья,
, м2/кг (или средние значения объема Иг , м3,
и площади поверхности 5Т, м2, твердых тел
или частиц для процессов с участием твердой
фазы), начальные и конечные значения плот-
ности фаз р|н, р|к, р2н , Р2к’ способ осу-
ществления массообменного процесса, время
тп , с, переработки партии гщн сырья.
На основе указанного в технологическом
регламенте способа осуществления массооб-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
615
менного процесса определяют вид массооб-
менного оборудования с учетом условий про-
изводства на предприятии, а затем выбирают
его тип с объемом рабочего пространства V .
В зависимости от режима работы опреде-
ляют продолжительность нерабочего времени
тНр, затем вычисляют:
1) суммарное рабочее время работы обо-
рудования тр =тн -тнр, в пределах которого
выделяют суммарную расчетную продолжи-
тельность массообменного процесса т. Для
этого из тн вычитают непроизводительные
затраты времени тнр на очистку и ремонт
оборудования, а при расчете оборудования
периодического действия - еще и затраты ра-
бочего времени на его подготовку к очередно-
му циклу работы, загрузку и разгрузку.
2) общую производительность оборудо-
вания по сырью, кг/с, GjH = W]h/t *’
3) производительность по продуктам
процесса G\ к и С?2К, по распределяемому
компонету G, и по его носителю (поглотите-
лю) С?2Н (кг/с для непрерывного процесса или
кг для периодического) исходя из уравнений
баланса массы:
^IhQh —^IkQk =^2к^2к — ОзнОзн “
= G1h -°1к = G2k -G2h =G J
4) долю рабочего объема К массообмен-
ного оборудования, приходящегося на сырье
кг,
н /Р1н -*"^1к/Р1к
^2н /Р2н +^2к /Р2к _
где индексы «1н, 1к, 2н, 2к» - начальные и
конечные значения.
5) общую площадь поверхности массоб-
мена для системы жидкость - жидкость (газ),
кг/с,
s=g/g ,
где G = /CmP|cp(C| -С2)ср - средняя плот-
ность потока массы распределяемого компо-
нента через поверхность контакта фаз,
кг/(М2 с); (Q “0>)ср “ осредненная разность
рабочей и равновесной концентраций распре-
деляемого компонента в вырабатываемом сы-
рье (может быть выражена половиной суммы
ее начального и конечного значений); Кт -
коэффициент скорости массопередачи, м/с;
вычисляется методами теории массопередачи
для указанных систем [1]; pJcp - осредненное
значение плотности сырья между ее начальным
и конечным значениями.
6) количество единиц оборудования не-
прерывного действия для системы жидкость -
жидкость (газ):
zh =^1/Р1ср ЧЦ^1
и продолжительность цикла его работы в пе-
риодическом режиме
тц = V Р1 ср Ч71 (Q н — Q к ) ’
7) продолжительность изменения кон-
центрации распределяемого компонента в
твердых телах (частицах) от CjH до С|к , вы-
числяемая методом теории нестационарного
массообмена с участием твердой фазы [28] и
соответствующая продолжительности цикла
работы массообменного оборудования перио-
дического действия; используются для вычис-
ления числа циклов его работы:
гц = т/тц т ;
8) массу сырья, перерабатываемого за
время Тц единицей массообменного оборудо-
вания периодического действия,
^1н “ Р1нЧЦ2ц ;
9) количество единиц массообменного
оборудования периодического действия
zn ~ н /^1Н ’
10) геометрические размеры рабочего
пространства в зависимости от формы.
7.4.2. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭКСТРАКЦИИ
В СИСТЕМЕ ТВЕРДОЕ ТЕЛО - ЖИДКОСТЬ
(ЭКСТРАКТОРЫ)
Экстракцией материала называется из-
влечение из сложного по компонентному со-
ставу одного или нескольких компонентов с
помощью растворителя (экстрагента). Экс-
тракция осуществляется как в системе твердое
тело - жидкость, так и в системе жидкость -
жидкость.
Экстракция в системе твердое тело -
жидкость (экстрагирование) широко использу-
ется в пищевой промышленности для извлече-
ния, например, следующих веществ:
616
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
растительных масел из различных мас-
личных материалов (семян подсолнечника, сои,
рапса и т.п.);
сахара из свеклы;
определенных веществ из ягод и плодов
(яблок, винограда и т.п.);
эфирных масел и пряно-ароматических
веществ из эфирномасличных растений и пря-
ностей;
тонизирующих продуктов из чая, кофе,
веществ для изготовления пива.
Экстракторы бывают непрерывного и пе-
риодического действия. Использование того
или иного принципа определяется преимуще-
ственно экономическими факторами. При
крупномасштабном производстве чаще приме-
няют непрерывный принцип со встречным
(противоток) движением фаз.
Разнообразие свойств объектов перера-
ботки и получаемых продуктов, а также техно-
логических особенностей производств не по-
зволяет пока создать универсальные конструк-
ции экстракторов для твердой фазы, которая
является носителем целевого компонента и
свойства которой являются определяющими
при проведении процесса.
При создании новых экстракторов руко-
водствуются едиными требованиями к совре-
менному высокоэффективному оборудованию,
которые применительно к экстракторам сле-
дующие: 1) высокая полнота извлечения целе-
вого компонента из твердой фазы и насыщения
им жидкой; 2) большая единичная производи-
тельность рабочего объема аппарата (низкая
продолжительность процесса), что ведет к ми-
нимальным удельным затратам металла;
3) минимальные удельные затраты энергии на
преодоление гидравлического сопротивления
при относительном движении фаз; 4) мини-
мальное количество стоков и выбросов, при
низком содержании в них токсических ве-
ществ.
Создание массообменного аппарата для
системы твердое тело - жидкость требует ре-
шения следующих групп задач:
1) организации встречного движения,
полноты контакта фаз и равномерного распре-
деления условий их обмена в рабочем объеме;
2) обеспечения дозированного ввода
твердой и жидкой фаз в аппарат и вывода их из
аппарата;
3) возможности дополнительного воздей-
ствия на фазы (дробление, отжатие, массиро-
вание твердой фазы и турбулизация жидкой
фазы) с целью интенсификации процесса.
Сходство решаемых задач приводит к по-
явлению аналогичных средств для их реализа-
ции, отдельные из которых приобретают уни-
версальный характер.
В экстракторах периодического действия
(отдельных аппаратах или нескольких аппара-
тах, объединенных в батарею) экстрагируемый
материал в неподвижном слое обрабатывается
потоком экстрагента за определенный проме-
жуток времени, а затем удаляется. Операция
экстрагирования повторяется. При этом имеют
место существенные затраты времени на вспо-
могательные операции (загрузку и выгрузку).
Поскольку процесс неустановившийся, кон-
центрации как твердой, так и жидкой фазы в
каждый момент времени изменяются, что за-
трудняет получение продукта стабильного
качества.
Все экстракторы непрерывного действия
при противоточном контактировании фаз мо-
гут быть разделены на многоступенчатые и
бесступенчатые. В свою очередь, в зависимо-
сти от направления и способа транспортирова-
ния экстрагируемого твердого материала среди
многоступенчатых выделяются конвейерные,
карусельные и смесительно-разделительные
установки, а среди бесступенчатых - колон-
ные, горизонтальные и наклонные шнековые и
лопастные, а также барабанные экстракторы.
Факторы и выбор конструкции твер-
дофазных экстракторов. Физические свойст-
ва частиц твердой фазы во многом определяют
скорость и глубину процесса экстрагирования
целевого компонента. Важнейшими из них
являются геометрические размеры, форма час-
тиц, их пористость, равномерность распреде-
ления и состояние извлекаемого вещества
внутри твердого тела.
В теории экстракции рассматривают про-
стые по форме геометрические тела, которые
соответствуют распространенным на практике:
пластина - лепесток, цилиндр - гранула, шар -
крупка. Кинетика экстракции из частиц раз-
личной формы может быть описана для регу-
лярной стадии процесса общим уравнением:
Е=(С-Ср)/(С0-Ср)=Jexp(-BFo),
где Е - симплекс концентраций экстрагируе-
мых веществ; С,Ср,Сд - концентрации в
поровом объеме твердой фазы, соответственно
текущая, равновесная и начальная; А, В - ко-
эффициенты, различные для различных по
форме частиц, А = 0,81; В = 2,46 для пластины;
А = 0,69; В = 5,8 для цилиндра; А = 0,607;
В = 9,87 для шара; Fo = Dt//?2 - критерий
Фурье; D - коэффициент внутренней диффу-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
617
зии, м2/с; т- время, с; R - определяющий
размер (радиус) частицы, м.
Геометрические размеры и форма опре-
деляют время, необходимое для проникнове-
ния растворителя внутрь частиц и для диффу-
зии растворенного вещества из частиц на их
поверхность.
От формы и размеров частиц во многом
зависят также условия внешнего массоперено-
са: характер и толщина диффузионного слоя
жидкой фазы на их поверхности. Соотношение
размеров (толщины, длины и высоты) частиц
определяют направление основных диффузи-
онных потоков. Для частиц сферической фор-
мы или близкой к ней скорость внутренней
диффузии и градиент концентраций имеют
примерно одинаковую радиальную направлен-
ность. В частицах удлиненной формы (цилинд-
рических) диффузия происходит в основном
через их боковую поверхность, а в плоских - в
направлении их толщины.
Внутренняя структура твердых частиц в
значительной степени определяет скорость
диффузионного процесса переноса вещества.
Важнейшими из характеристик структуры яв-
ляются размеры и форма пор. В зависимости от
диаметра пор могут возникнуть три различных
режима массопереноса. При диаметре пор бо-
лее 10 4... 10 5 м возможен принудительный или
естественный конвективный перенос вещества
вместе с потоком жидкой фазы внутри поры.
При диаметре пор 10 s... 10ъ м массопередача
происходит путем свободной молекулярной
диффузии через объем растворителя в порах. В
порах с диаметром менее 10'* м, соизмеримым
с размером молекул извлекаемого вещества,
скорость молекулярной диффузии уменьшает-
ся вследствие тормозящего действия стенок
капилляров внутри частицы.
Весьма большое влияние на процесс
внутреннего массопереноса оказывает распо-
ложение и состояние извлекаемого вещества
внутри частицы. Различают несколько видов
состояние извлекаемых веществ в структуре
твердого тела:
твердые тела, состоящие целиком из рас-
творимого вещества (экстракция в данном слу-
чае переходит в растворение);
пористые тела, содержащие извлекаемое
вещество в твердом или жидком состоянии в
открытых порах, которые имеют небольшое
диффузионное сопротивление (экстракция в
данном случае переходит в промывку);
твердые тела, содержащие экстрагируе-
мые вещества в микрокапиллярной структуре
тела, в адсорбированном состоянии, а также в
закрытых объемах (неразрушенных клетках),
которые имеют большое внутреннее сопротив-
ление массопереносу.
Свойства экстрагента (жидкой фазы)
также оказывают большое влияние на процесс
экстрагирования.
Прежде всего, важна способность экстра-
гента растворять целевой компонент (селек-
тивность), не растворяя другие вещества, нахо-
дящиеся с целевым компонентом внутри
структуры твердой фазы. Физические свойства
экстрагентов (вязкость, плотность, поверхно-
стное натяжение и др.) являются определяю-
щими факторами внутреннего и внешнего мас-
сопереноса, гидродинамических процессов при
течении через слой экстрагируемых частиц или
их суспендировании, расслаивании и транс-
портировании фаз, т.е. оказывают влияние на
процессы, от которых зависит конструкция
экстракторов (табл. 7.3).
7.3. Влияние физических свойств экстрагента
на гидродинамику и массопередачу в процессе экстракции
Свойства экстрагента Явление, на которое оказывает влияние свойство
Растворимость целевого компонента Соотношение масс жидкой и твердой фаз
Вязкость Скорости заполнения пор, взаимного перемещения фаз, интенсивность внешнего конвективного массообмена
Плотность Направление движения фаз при взаимном перемещении в колонных аппаратах
Поверхностное натяжение Пропитывание пор твердой фазы
Диффузионная способность извле- каемого компонента в растворителе Интенсивность массопереноса в капиллярах твердой фазы и внешней конвективной массоотдачи в жидкой фазе
Теплофизические параметры Предельная температура процесса экстракции, условия проведения и экономичность процесса регенерации рас- творителя
618
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
В табл. 7.4 - 7.6 приведены рекомендации
по выбору конструкции аппаратов для экстра-
гирования.
Выбор типа экстрактора в значительной
степени связан со свойствами твердых частиц
и растворителя, которые определяют скорость
и глубину извлечения.
7.4. Выбор наиболее эффективной конструкции экстрагента
в зависимости от свойств твердой фазы
Свойства твердой фазы Экстрактор
Размер частиц более 1 мм. Хоро- шие дренажные свойства слоя Оросительные всех типов. Колонные и барабанные аппараты
Размер частиц менее 1 мм. Плохие дренажные свойства слоя Смесительно-отстойные горизонтальные и вертикальные. Колонные аппараты с тарельчатыми, конусными перегород- ками и переточными каналами
Высокая пористость и удержи- вающая способность материала по жидкой фазе, его набухание Шнековые и конвейерные с промежуточным отжимом экс- тракта
Низкая прочность, малая разность плотностей фаз (менее 50 кг/м3) Оросительные с подвижным ситчатым днищем. Ковшевые вертикальные и горизонтальные. Колонные аппараты без транспортирующих и перемешивающих органов
Липкость, связанность, слеживае- мость Шнековые и лопастные горизонтального типа. Барабанные с простыми внутренними устройствами (бескамерные), колон- ные с перемешиванием. Двушнековые аппараты с зацепле- нием витков
Большая полидисперсность; нали- чие мелкой фракции d < 0,3 мм Барабанные и смесительно-отстойные. Шнековые и лопаст- ные горизонтальные аппараты
7.5. Выбор наиболее эффективной конструкции экстрактора
в зависимости от свойств жидкой фазы
Свойства жидкой фазы Экстракторы
Взрывоопасность, летучесть, ток- сичность Герметичные со специальными герметизирующими загру- зочными и разгрузочными устройствами
Большая разница плотностей твер- дой и жидкой фаз (более 50 tfr/м3) Колонные
Низкая плотность твердой фазы относительно жидкой Специальные шнековые горизонтальные с плавающим слоем материала. Колонные с движением твердой фазы снизу вверх. Оросительные всех типов
Высокая цена и плохие регенера- ционные свойства Оросительные всех типов. Аппараты, позволяющие работать с низким соотношением массы фаз и имеющие небольшой объем, заполненный растворителем
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
619
7.6. Выбор наиболее эффективной конструкции экстрактора
в зависимости от диффузионно-кинетических свойств системы
Диффузионно-кинетические свойства системы Экстракторы
Низкое значение коэффициента диффузии (< 10 7 см2/с). Большое значение критерия Bi > 100 Аппараты с невысокой интенсивностью гидродинамического воздействия на двухфазную систему с большим объемом контактной зоны: оросительные (карусельные, конвейер- ные); погружные (колонные, горизонтальные шнековые с транспортирующими устройствами без дополнительного перемешивания)
Большое значение коэффициента диффузии (> Ю-7 см2/с). Малое значение критерия Bi < 100 Аппараты с повышенной и высокой интенсивностью гидро- динамического воздействия на двухфазную систему: смеси- тельно-отстойные; колонные и горизонтальные шнековые с дополнительным механическим перемешиванием, пульсаци- ей, барботажем, барабанные быстровращающиеся
Значительное изменение коэффи- циента диффузии в процессе экс- тракции (больше чем в 2 раза) Двух- и многосекционные с различным гидродинамическим режимом в секциях и существенным изменением их рабоче- го объема
Управление температурой и давле- нием Аппараты с промежуточным нагревом растворителя, кон- вейерные, шнековые горизонтальные и вертикальные, а так- же смесительно-отстойные с промежуточным отжимом жид- кой фазы, с ультразвуковым, вибрационным и взрывным устройствами. Аппараты, работающие в режиме, обеспечи- вающем периодическое вскипание и конденсацию раствори- теля в порах твердых частиц
Основные типы экстракторов. Бессту-
пенчатые экстракторы. Наиболее распро-
странены одно- и многоколонные бесступенча-
тые аппараты.
На рис. 7.52 приведена схема одноколон-
ного экстрактора с лопастным транспортным
устройством для экстрагирования сахара из
свекловичной стружки. Вал 2, вращаясь с час-
тотой 0,5... 1,0 мин-1, лопастями 3 перемещает
стружку снизу вверх. Контрлопасти 4 препят-
ствуют вращению стружки вместе с валом. В
нижней части аппарата установлено раздели-
тельное сито 7 для отвода сока. В верхней час-
ти имеется специальное лопастное устройство
для выгрузки жома.
В верхнюю часть колонны поступает экс-
трагент - жомопрессовая и свежая вода. Жид-
кость, перемещаясь в межстружочном про-
странстве аппарата, насыщается сахаром и в
виде экстракта удаляется из аппарата. Для по-
лучения экстракта высокого качества в аппара-
те должна поддерживаться оптимальная тем-
пература и длительность экстракции.
620
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Вертикальный шнековый экстрактор
НД-1250 (рис. 7.53), применяемый в маслоэкс-
тракционном производстве, имеет U-образную
форму. В этом экстракторе две вертикальные
колонны - загрузочная и экстракционная, а
также считающаяся третьей колонной - попе-
речный шнек. Транспорт материала осуществ-
ляется медленно вращающимися шнеками по-
следовательно в загрузочной, поперечной и
экстракционной колоннах противоточно пода-
ваемой жидкой фазой растворителя.
Рис. 7.53. Экстрактор вертикальный шнековый
НД-1250:
1,7,8- приводы шнеков всех трех колонн;
2 - передаточный шнек; 3 - загрузочная колонна;
4 - шнеки всех трех колонн;
5 - радиально ориентированные пластины;
6 - декантатор; 9 - сбрасыватель шрота;
10 — патрубок для выхода шрота;
/ / - смотровые окна; 12 - экстракционная колонна;
13 - люк-лаз; 14, 15 - направляющие планки
Достоинствами двух- и многоколонных
вертикальных аппаратов являются:
расположение загрузочных и разгрузоч-
ных устройств выше уровня жидкости;
компактность в плане;
отсутствие громоздкой системы циркуля-
ции орошением;
высокий коэффициен! использования
объема.
К недостаткам относятся:
возможность образования пробок и за-
прессовок материала, особенно в местах уста-
новки внутренних крестовин подшипников;
переброс растворителя вместе с выходя-
щим материалом из-за нарушения дренажа;
низкая интенсивность гидродинамиче-
ского взаимодействия фаз;
образование байпасных зон на витках,
которое приводит к увеличению продольного
перемешивания;
возможная забивка устройств для вывода
растворителя.
Наклонные экстракторы (рис. 7.54),
предназначенные для извлечения сахара из
свекловичной стружки, имеют транспортный
орган различной конструкции в виде одного
или двух шнеков. Наибольшее распростране-
ние нашли двушнековые (двухвальные) аппа-
раты.
Наклонные аппараты имеют небольшую
удельную металлоемкость и занимают наи-
меньший объем здания по сравнению с други-
ми конструкциями; аппараты могут работать с
небольшим расходом пара для подогрева свек-
ловичной стружки, потребная мощность на
привод транспортирующих устройств аппарата
меньше, чем у аппаратов других конструкций.
К недостаткам аппаратов этого типа следует
отнести: рециркуляцию свекловичной стружки
внутри аппарага; развитие микробиологиче-
ских процессов вследствие соприкосновения
стружки и деталей аппарата с воздухом; слож-
ность привода аппарата.
К многоступенчатым экстракторам от-
носятся, прежде всего, конвейерные и кару-
сельные экстракторы. Экстракторы с горизон-
тальной транспортировкой твердой фазы лен-
точными, ковшевыми, ящичными и скребко-
выми конвейерами представляют группу ши-
роко распространенных аппаратов.
Общими особенностями конвейерных
экстракторов являются:
неподвижное расположение твердой фазы
относительно транспортирующего органа;
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
621
Рис. 7.54. Наклонный экстрактор:
1 - ленточный конвейер стружки; 2 - ленточные весы; 3 - бункер для свежей стружки; 4 - шкаф управления;
5 - шнековые валы; 6 - патрубок жомопрессовой воды; 7 - патрубок свежей воды; 8 - черпачное колесо;
9 - верхний привод; 10- паровые камеры; 11 - корпус; 12 - трубопровод конденсата;
13 - трубопровод греющего пара; 14 - патрубок сырого сока; 15 - главный привод; 16- фильтрующее сито;
17 - желоб для жома; 18 - шкаф управления электропривода; 19- электропреобразователь
ступенчатый противоточный режим вза-
имного перемещения фаз;
циркуляционный оросительный способ
контакта твердого материала с экстрагентом.
Циркуляция осуществляется на каждой
ступени путем подачи жидкой фазы насосом из
сборника, расположенного под этой же ступе-
нью, через форсунки орошением на поверх-
ность слоя. Экстрагент или растворитель,
фильтруясь через слой материала, экстрагирует
из него масло. Пройдя через слой материала и
сетчатую ленту, экстрагент стекает в соответ-
ствующий сборник, откуда откачивается и по-
дается вновь на орошение. Встречное движе-
ние фаз обеспечивается за счет перелива по
сборникам экстрагента под конвейером в на-
правлении противоположном его движению.
При этом концентрация раствора (мисцеллы)
ступенчато возрастает.
Факторами, способствующими широкому
распространению конвейерных экстракторов,
являются:
независимость режима контакта фаз
(плотность орошения и др.) от расхода раство-
рителя в питании (соотношения фаз);
возможность регулирования плотности
орошения и температуры на каждой ступени
циркуляции;
самофильтрация растворителя в слое
твердой фазы;
равномерность движения слоя и ороше-
ния по всей его ширине.
Наиболее распространенными экстракто-
рами с ленточным перфорированным конвейе-
ром являются экстракторы фирмы Де-Смет
(Бельгия) и близкие к ним по конструкции оте-
чественные аппараты МЭЗ-350 и Т1МЭМ400,
которые применяются в маслоэкстракционном
производстве.
Ленточный экстрактор (рис. 7.55) работа-
ет по способу орошения. Основным рабочим
органом экстрактора является горизонтальный
сетчатый ленточный конвейер. Лента состоит
из двух параллельно расположенных беско-
нечных цепей, к щекам которых болтами попе-
речно крепятся рамки. Сверху на рамки укла-
дывают подкладочные листы с отверстиями,
затянутые сверху специальной плетеной сет-
кой.
Вал с двумя ведущими звездочками же-
стко закреплен в хвостовой части аппарата,
приводится во вращение в подшипниках от
электродвигателя через вариатор, редуктор,
цепную передачу и храповой механизм. Вариа-
тор позволяет изменять бесступенчато ско-
рость движения ленты в пределах 2,5...5 м/ч.
Движение ленты происходит с перерывами из-
за включения в кинематическую схему привода
храпового механизма. Вал с двумя ведомыми
звездочками имеет подвижные подшипники,
расположенные в головной части экстрактора,
где предусмотрено приспособление для натя-
жения цепей конвейера.
622
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Рис. 7.55. Ленточный экстрактор МЭЗ-350:
1 - двусторонний лопастной шнек; 2 - выводной бункер; 3 - звездочка ведущего вала; 4 - корпус;
5 - сетчатый ленточный конвейер; 6 - форсунки; 7 - грабельные рыхлители;
8 - вертикальный регулировочный шибер; 9 - шлюзовой затвор; 10- загрузочный бункер;
11, 12- верхний и нижний ограничители флажкового типа с микропереключателями;
13 - звездочка ведомого вала; 14, 16 - два четырехкорпусных насоса; 15 - опоры
Особенностью экстрактора ленточного
типа является использование в рабочем про-
цессе (транспортировании слоя экстрагируемо-
го материала) только верхней ветви ленты.
Нижняя ветвь конвейера нерабочая; в этой зоне
лента подвергается очистке круглой щеткой и
промывке частью экстрагента из дозировочно-
го бачка.
Под верхней ветвью ленты расположены
десять сборников, восемь из которых соедине-
ны с соответствующими насосами, которые
объединены в два четырехкорпусных насоса.
Каждый из восьми центробежных отдельных
насосов питает экстрагентом соответствую-
щую форсунку.
В крышке экстрактора крепятся в два ря-
да оросители для восьми ступеней экстрагиро-
вания. Каждый ороситель представляет собой
форсунку специальной конструкции, поме-
щенную в распределитель с отражающими
плоскостями. При таком размещении оросите-
лей они оказываются при работе экстрактора
над движущимся на ленте слоем экстрагируе-
мого материала. Двухрядное расположение
оросителей с распределителями обеспечивает
равномерное распределение растворителя по
всей ширине слоя материала на ленте.
Сборники экстрагента разделены перего-
родками, в которых имеются отверстия для
перетока экстрагента последовательно из сбор-
ника в хвостовой части экстрактора в голов-
ной.
Все рабочие органы экстрактора заклю-
чены в корпус экстрактора, который выполнен
из листовой стали и швеллеров в виде коробча-
той конструкции. В верхней части корпуса
расположен загрузочный бункер, над которым
имеется шлюзовой затвор с индивидуальным
электроприводом.
Экстрактор работает следующим обра-
зом. Экстрагируемый материал поступает в
загрузочный бункер. При движении ленты
вместе с ней из загрузочного бункера транс-
портируется слой материала, высота которого
регулируется шибером. На всем пути движения
материала в рабочей зоне экстрактора на верх-
ней ветви ленты происходит орошение слоя
материала из восьми оросителей экстрагентом
с последовательно увеличивающейся его кон-
центрацией в противотоке. Свежий материал
орошается крепким экстрагентом, а материал в
конце пути на ленте орошается чистым раство-
рителем.
При принятой схеме циркуляции экстра-
гента на ступени (из сборника насосом экстра-
гент подается в ороситель, расположенный над
этим же сборником) противоточное движение
экстрагента осуществляется путем перелива
его в смежный сборник. Направление движе-
ния экстрагента по направлению к месту за-
грузки материала путем перелива из сборника
в сборник обеспечивается соответствующим
снижением уровня переливной щели в после-
довательности сборников экстрагента.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
623
В хвостовой части экстрактора проэкс-
трагированный материал после зоны стока
разрыхляется разгрузочным разрыхлителем и
сбрасывается в разгрузочный бункер. Здесь
материал двусторонним лопастным шнеком
подается на два шлюзовых затвора и выводит-
ся из экстрактора.
Мисцелла при фильтрации через высокий
слой материала очищается от взвесей и не ну-
ждается в специальной очистке на фильтрах
после выхода из экстрактора.
К недостаткам ленточных экстракторов
относятся:
отсутствие вертикальных перегородок в
слое между ступенями орошения и четкого
секционирования, что ведет к продольному
перемешиванию;
невозможность работы с высокой плот-
ностью орошения, так как высокое насыщение
слоя жидкой фазой приводит к потери его ста-
бильности и смыву с поверхности конвейера;
невысокий коэффициент использования
объема и площади производственных помеще-
ний.
Эти недостатки практически отсутствуют
в конструкции карусельного экстрактора, в
котором реализован тот же принцип, что и в
ленточном, - принцип многоступенчатого
орошения слоя маслосодержащего материала с
фильтрацией рециркулирующего экстрагента
через слой экстрагируемого материала.
Из известных конструкций карусельных
экстракторов рассмотрим экстрактор со ста-
ционарным днищем, разработанный фирмой
Экстехник (Германия) и изготовляемый фир-
мой СКЕТ. В нашу страну экстракторы постав-
ляются в одно- и двухъярусном исполнении.
Одноярусный экстрактор (рис. 7.56) - это
цилиндрический аппарат с перфорированным
стационарным днищем, над которым переме-
щается ротор с радиальными перегородками, а
под днищем размещаются сборники экстраген-
та. Имеются загрузочные и разгрузочные уст-
ройства, привод, рециркуляционные насосы с
оросителями.
Днище экстрактора неподвижно и имеет
зеерную (щелевую) конструкцию. При этом
зеерные прутья имеют концентрическое распо-
ложение, а в сечении - трапециевидную фор-
му.
Основными частями ротора являются
внутренняя и внешняя обечайки, образующие
кольцевое пространство, которое разделено
радиальными перегородками. В поперечном
Рис. 7.56. Одноярусный роторный
карусельный экстрактор:
1-3,10-12- насосы; 4 - корпус;
5 - стационарное днище с отверстиями;
6,8- соответственно внешняя и внутренняя обечайки;
7 - радиальная перегородка; 9 - ротор;
13 - участок загрузки; 14, 15 - мисцеллосборники
сечении каждая радиальная перегородка имеет
ссужающуюся книзу форму, что предохраняет
от зависания материала при его выгрузке из
секторного пространства ротора, выделенного
двумя смежными радиальными перегородками.
Выгрузку обезжиренного материала (шрота)
производят через секторный вырез в днище.
Вслед за этим вырезом следует участок, вы-
полненный сплошным, на котором происходит
загрузка исходного материала для экстракции
через бункер.
Выгрузка обезжиренного материала
(шрота) происходит через разгрузочный бун-
кер шнеком, который имеет регулируемую
частоту вращения.
Двухъярусный экстрактор (рис. 7.57) ана-
логичен по конструкции одноярусному кару-
сельному. Он представляет собой аппарат,
состоящий из двухэтажного цилиндрического
корпуса и двух вращающихся роторов (верхне-
го и нижнего), имеющих собственные валы.
Приводы обоих роторов общие - зубчато-
цепные передачи, которые получают вращение
через валы с шарнирами.
На верхнем ярусе слой материала пере-
мещается радиальными перегородками ротора
по неподвижному зеерному днищу и проходит
восемь ступеней орошения экстрагентом, по-
624
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Рис. 7.57. Двухъярусный роторный
карусельный экстрактор:
1,7- верхние зеерные (щелевые) дни-
ща для обоих ярусов; 6, 21 - нижние
сплошные днища для обоих ярусов;
2 - цилиндрический корпус; 3, 8 -
нижний и верхний роторы; 4, 13 - ра-
диальные перегородки; 5, 9 - зубчато-
цепные передачи; 10 - два параллель-
ных питающих шнека; 11 - загрузоч-
ный бункер; 12 - орошающие трубы;
14, 18- валы роторов; 15, 20- внешние
обечайки роторов; 16, 19- внутренние
обечайки роторов; 17 - шахта переза-
грузки; 22 - разгрузочный шнек
даваемым рециркуляционными насосами через
орошающие трубы (разбрызгиватели). Система
рециркуляции экстрагента обеспечивает общее
противоточное движение экстрагируемого
материала и экстрагента, т. е. по направлению
к месту ввода материала растет концентрация
рециркулируемого экстрагента.
Совершив практически полный круг по
верхнему ярусу, экстрагируемый материал
через шахту перегрузки пересыпается из раз-
гружаемой камеры верхнего яруса в загружае-
мую камеру нижнего яруса. На нижнем ярусе
материал также перемещается радиальными
лопатками нижнего ротора и проходит еще
восемь ступеней орошения экстрагентом по-
нижающейся концентрации. Непосредственно
перед выходом из экстрактора материал на
последней ступени орошается чистым раство-
рителем и проходит зону стока растворителя.
Материал выгружают через разгрузочный
шнек, который имеет индивидуальный привод.
Карусельные экстракторы отличают:
простота и надежность устройств для пе-
ремещения твердой фазы;
компактность;
легкость герметизации.
Общая схема расчета экстракторов (на
примере маслоэкстракционного производ-
ства). Методика расчета экстракторов должна
базироваться на учете; баланса массы, концен-
трационного равновесия в системе, кинетиче-
ских закономерностей на всех этапах процесса
и структуры потоков фаз в аппарате.
Расчет непрерывного процесса экстрак-
ции со встречным движением фаз начинается с
задания производительности, концентраций во
входящем и выходящем потоках, а также ско-
ростей потоков фаз. Следует отметить, что
применяемая ниже терминология распростра-
нена в маслоэкстракционном производстве.
Баланс массы экстрактора для непрерыв-
ной и противоточной работы имеет общий вид
для любой конструкции экстрактора и позволя-
ет выполнить расчет концентрации экстракта
(мисцеллы) и его расход, если заданы началь-
ное Мн (%) и конечное Мк (%) значения
массовой доли масличности твердого материа-
ла, бензиноемкость проэкстрагированного ма-
териала Б (массовая доля Б, %) и соотношение
растворитель - материал R-G^fGM .
Концентрация отходящей мисцеллы
/\мц (%) определяется из уравнения баланса массы:
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
625
к =100__________________(Л/Н-Л/К)/(1ОО-Л/К)_________________
мц Я-[/>/(100-7>)][(100-Л/н )/100] + (Мн -Л/к)/(100-Л/к)'
Расход мисцеллы Смц,кг/ч,
Gmu -Л/к )/(100-Л/к )](100//Смц).
Для экстракторов поток массы пропор-
ционален общей движущей силе массопереда-
чи, т.е. локальной разнице концентраций экст-
рагируемого вещества в обоих фазах. В таких
случаях концепция ЧЕП (число единиц пере-
носа), при которой сопротивление массопере-
даче сосредоточено на границе твердое тело -
жидкость, является общепринятой основой для
метода расчета. Разделение, которое должно
быть достигнуто, можно выразить через ЧЕП в
режиме движения фаз, характеризующимся их
«абсолютным вытеснением»:
ЧЕПКЖ = | dC'[(c'*-С'), (7.51)
С'
vbx
где Свх и Свых - концентрация экстрагируе-
мого вещества в жидкой фазе соответственно
на входе экстрактора и на выходе, кг/м3; С’ -
мысленная локальная концентрация в жидкой
фазе при условии достижения равновесия с
дисперсной фазой, если бы фазы контактиро-
вали при встречном движении - режиме абсо-
лютного вытеснения, кг/м3.
В таких условиях
ЧЕПК ж = Аож 5 И/Сж ,
где kQyK - осредненный коэффициент массопе-
редачи по жидкой фазе, м/с; 5 - удельная эф-
фективная межфазная площадь на единицу
объема слоя, м2/м3; V - объем слоя, м3; Сж -
расход потока жидкой фазы, м3/с.
С учетом баланса массы для линейного
соотношения равновесия уравнение (7.51) пре-
образуется в хорошо известное уравнение Кол-
бурна:
ЧЕПКЖ =[1/(1 -Л)]1п[(1 -/Л)/(1 -/)],
(7.52)
где Л - фактор экстракции; f - фактор раз-
деления.
На рис. 7.58 уравнение (7.52) представле-
но в графической форме, в зависимости от эф-
фективности экстракции т|.
Более конкретные рекомендации по ре-
жимам экстрагирования может дать оптимиза-
ция по экономическому критерию, который
представляет собой аддитивную зависимость
приведенных капитальных и эксплуатацион-
ных затрат на достижение заданной ц:
3 = nELV+UpGp,
где S - площадь массообмена (прямо пропор-
циональная размерам аппарата), м2; Е - норма-
тивный коэффициент эффективности; Цк,
Цр - удельные стоимостные показатели, со-
четание которых соответственно с 5 и Gp
может дать оценку капитальных и эксплуата-
ционных (на подготовку растворителя, в част-
ности, путем регенерации) затрат, размерности
соответственно руб./м2 и руб./(м3/с); Gp -
расход растворителя, м3/с.
Полученные данные по оптимальным
значениям Л ° при варьировании основных
переменных в следующем диапазоне:
-2 < 1g А <4-3 и 0,8 <Г|< 0,99 обобщены
уравнением вида
Л° = 1+[ехр(-1,067 Л)]/(3,20-2,73т]),
Рис. 7.58. Графическое представление уравнения
(7.52) для противоточного экстракционного
процесса
626
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
где А = ЕЦк/иДЦр&т j - безразмерный ком-
плекс технико-экономических параметров
(Цк,Цр ), равновесных (наклона т равно-
весной кривой) и кинетических характеристик
(коэффициента кТ массопередачи) процесса
экстракции.
Независимо от параметров Г| и А опти-
мальное А° >1 .
С использованием полученных зависимо-
стей для противоточного процесса можно дать
предварительную оценку направления в созда-
нии эффективных экстракционных аппаратов.
Соотношение фактора разделения f и
эффективности экстракции Г| следующее:
f = Г| / А , тогда
Л ” Л(СВЫХ “ СВХ )/~ ^ВХ ) ’
X-G^m/G^ ,
где GTB - расход потока дисперсной фазы,
м3/с; 0)вх - концентрация экстрагируемых
веществ дисперсной фазы на входе, кг/м3.
Для реального процесса
ЧЕПЦ ж = f ( ЧЕПК ж . А. структура потока).
Структура потока фаз внутри аппаратов
определяется на макромасштабном уровне
локальным видом контакта фаз, неоднородно-
стью распределения потока растворителя в
слое твердой фазы и т.д. Для некоторых про-
стых случаев фазового контактирования соот-
ношения между ЧЕПК и ЧЕПЦ даны в
табл. 7.7.
7.7. Соотношения между ЧЕПК и ЧЕП^ для некоторых простых случаев
Фазовый контакт Жидкая фаза Твердая фаза (Свх -Свых )/(Свх-та>ВК ) = {1-ехр[(А-1)Ч£/7кж]}/(1-А)
Переме- шанная Любая Периодический контакт {\-ехр[-ЧЕПиж (1 + Л)]}/(1 + Л)
Прямоток Непере- мешанная Непере- мешанная Непрерывный контакт {1-ехр[-Ч£77и>ж(1 + Л)]}/(1 + Л)
Попереч- ное движе- ние* Непере- мешанная (1/Л) С ЛЧЕПИЖ Ч£ПИЖ V1 J J -1 [ 0 0 J -1
Организо- ванное движение твердой фазы Переме- шанная {1 - ехр[- (/£77иж Л] } /{1 - (1 - Л)ехр[- ЧЕПИЖ л]}
Противо- ток Непере- мешанная Переме- шанная {1-ехр[-Ч£77иж(1-Л)]}/(1-Л)
Непрерыв- ный поток Переме- шанная чепиж/(1+чепн,ж)
* Полное перемешивание обоих фаз на входе на ступень.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
627
Реальные экстракторы, в том числе кон-
вейерные (ленточные и карусельные) и проти-
воточные шнековые, не могут быть описаны
представленными простыми соотношениями.
Отклонения от данных простых случаев струк-
туры потоков взаимодействующих фаз часто
описываются диффузионными моделями или
моделями обратного перемешивания.
Корреляции между ЧЕПК и ЧЕПП на
основе по возможности более полного учета
особенностей контактирования потоков в ре-
альной конструкции устанавливаются на осно-
ве математического моделирования структуры
потоков взаимодействующих фаз.
Для ленточных экстракторов установлена
корреляция
(ЧЕП^/^ЧЕП* =
= 1 + 1,035^1’42А-0’7|О0’65'7Е/7^64.
2<и<7; 0,3<Л<2; 0,25<£>,2;
0,3<ЧЕПк <10; г]<0,99,
где Dsmh/(\-h) - распределительное от-
ношение; h - доля межчастичного объема в
экстрагируемом слое.
Связь между числами единиц переноса в
расчете по концентрациям различных фаз оп-
ределяется через фактор экстракции A = w/P,
где Р = Иг/W - объемное соотношение фаз
через объем пор твердой фазы, в которых на-
ходятся экстрактивные вещества и объем жид-
кой фазы растворителя:
ЧЕПКЛ=\ЧЕПКЖ.
Для того чтобы рассчитать требуемое
время пребывания твердых частиц в экстракто-
ре для достижения требуемой степени разделе-
ния необходимо знание коэффициента массо-
передачи к0, входящего в уравнение для
ЧЕПИ.
Согласно двухпленочной теории Льюиса
kQ зависит от обоих условных коэффициентов
массоотдачи: в непрерывной жидкой фазе кж
и в дисперсной твердой фазе к} Расчет пара-
метров массопередачи заключается в опреде-
лении параметров внутреннего и внешнего
массопереноса, которые связаны критериаль-
ным уравнением:
1/Sho = l/ShT +1/2 Bi,
где Sh = кд/D - число Шервуда; к и D -
коэффициент соответственно массопередачи
или массоотдачи и диффузии, относящийся к
одной фазе; Bi = #/(8/2)&ж/DBH - число Био
массообмена.
Значение кж является постоянным и мо-
жет быть оценено по известным литературным
данным для широко отличающихся условий
процесса и геометрии слоя.
Условный коэффициент массоотдачи
дисперсной твердой фазы кт зависит от вре-
мени. Установлено, что для экстрагирования
число Шервуда ShT -kyD4/DT имеет асим-
птотическое значение для длительных времен
контакта, так что для постоянного коэффици-
ента диффузии DT в твердой фазе кт имеет
постоянное значение, которое может быть вы-
числено из аналитического решения уравнения
диффузии с граничными условиями, относя-
щимися к прямотоку или противотоку.
Зависимость для расчета в общем случае
(включая малые числа Био (Bi < 100)) асимпто-
тического значения числа Шервуда по твердой
фазе для частиц в форме пластины (лепестка)
имеет вид
ShT а = Bi {б( Bi + 2,25) + [((1/Рпр )-1) (Bi + 3) л2/2]}:
.{Bi(l/pnp)(Bi+2,25) + [(l/pnp)-l][3(Bi + 2,25)-(Bi + 3)n2/4]},
где РПр =1/А-
Если Bi -> оо , практически при Bi >100,
то после предельного перехода получим
ShT,a =рпр[б+((1/рпр)-1)л2/2].
Переходу на другие формы частиц соот-
ветствует соотношение
628
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
ShT,a.v =vShT,a-4(v~1)-
Коэффициент v принимают значения:
V = 1 для пластины (лепестка); V = 2 для ци-
линдра (гранулы); V = 3 для шара (крупки).
Таким образом, используя правило адди-
тивности для сопротивлений массопередаче,
к0 может быть определен из оценочного зна-
чения кж и асимптотического значения £т.
Хотя это правило точно только для постоянных
значений £т и кж, ошибка при этом мала.
Заключительным этапом является расчет раз-
мера экстрактора из требуемого времени пре-
бывания и заданной производительности.
Производительность, т/ч, одноколонного
аппарата (КДА) диаметрами DK и dK
0 = )#sincxA:q)«p;
U-образного колонного аппарата (НД)
0 = 15лО25ирСф.
Мощность привода одноколонного аппа-
рата (КДА)
^=(1,5^W/З67n) +
+[лО2В(рт -рж)(/ + S.sin a)n£hi ]/12000 г];
U-образного колонного аппарата (НД) со
шнеком:
загрузочной колонны
N3 = nD2nfQh} (рт -рж )(mS +D/30)/24000 т];
горизонтальным переходным
JVn =лО2иЛ1(рт -рж)(S +£>ш/30)/24000п;
разгрузочным
Np =nD ~Рж )^Ьк +Рр^о] х
х[(1 + »S + /у/30]/24000т|.
Здесь В - ширина лопасти, м; DK,dK -
соответственно наружный и внутренний диа-
метры колонны, м; а - угол наклона лопасти;
к - число лопастей; ф = 0,7...0,8 - коэффи-
циент проскальзывания; п - частота вращения
вала, мин ’; р - объемная масса материала,
т/м3; D - наружный диаметр шнеков, м; S' -
шаг шнека, м; £ = 0,7...0,8 - коэффициент за-
полнения; Н - высота колонны, м; ht - высота
слоя материала на отдельной лопасти, м;
Рт ’Рж “ плотность соответственно твердой и
жидкой фазы, т/м3; г| КПД привода; £ -
коэффициент лобового сопротивления; f -
коэффициент трения материала о стенки кор-
пуса; т = 0,5...0,7 - коэффициент бокового
распора.
Производительность ленточных экстрак-
торов
Q = 3600 bhvp;
карусельных экстракторов
е = л(о2-4)//ир/4.
Мощность ленточных экстракторов
/V = (1 Ог?/г|) х
х[(б/г£рр +m0)(|u7+2*)p/o+A2Z,pp^J;
карусельных экстракторов
# = лЯрр/(Рк-t/jQ/eOOT].
Здесь Q - производительность, т/ч; v -
скорость движения конвейера, м/с; b - шири-
на конвейера, м; h - высота слоя материала, м;
р - объемная масса материала, т/м3; L - дли-
на конвейера, м; рр - объемная масса мате-
риала с учетом задержки растворителя в слое,
т/м3; т0 - масса движущихся частей транс-
портера, т; р - коэффициент трения в под-
шипниках скольжения; d - диаметр подшип-
ника скольжения, м; к - коэффициент трения
качения по поверхности роликов; 0 = 1,2... 1,5 -
коэффициент трения в ребордах и торцах под-
шипника; £ - коэффициент бокового распора
слоя материала; f - коэффициент трения ма-
териала о стенки корпуса и днище; Г| - КПД
привода; D - наружный диаметр роликов;
£>K,JK _ соответственно наружный и внут-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
629
ренний диаметр карусели, м; Н - высота слоя
материала, м; п - частота вращения карусели,
мин1.
7.4.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОЧИСТКИ
ДИФФУЗИОННОГО СОКА
В ПРОИЗВОДСТВЕ САХАРА
Классификация оборудования для очи-
стки диффузионного сока. Диффузионный
сок, получаемый в свеклосахарном производ-
стве содержит в растворенном состоянии сахар
и посторонние примеси. Для очистки сока его
обрабатывают известковым молоком, а затем
углекислым газом, в результате чего образует-
ся суспензия - сатурационный сок, состоящий
из раствора сахара и твердых частиц карбоната
кальция СаСО3, образовавшегося при взаимо-
действии оксида СаО с углекислотой СО2.
Процесс обработки диффузионного сока
известью - дефекация состоит из двух стадий -
предварительной и основной. Предваритель-
ную дефекацию проводят с целью нейтрализа-
ции кислот и придания соку щелочной реак-
ции, а также коагуляции коллоидных веществ
и образования крупных нерастворимых частиц
кальциевых солей примесей. При этом к диф-
фузионному соку добавляют известковое мо-
локо в количестве 0,25...0,30 % массы свеклы
или сок первой сатурации в количестве 150 %
массы свеклы с добавлением дефекованного
сока в количестве 15 % массы свеклы.
Преддефекаторы классифицируют по
следующим признакам:
по расположению главной оси в про-
странстве - вертикальные и горизонтальные;
по числу ступеней - одно- и многосту-
пенчатые;
по наличию секций - секционные и бес-
секционные.
Основную дефекацию проводят с целью
разложения амидов, инвертного сахара и пек-
тиновых веществ, а также для образования
нерастворимых осадков кальциевых солей,
минеральных и органических кислот.
При этом к преддефекованному соку до-
бавляется известковое молоко плотностью
1190 кг/м3 в количестве 12 % массы свеклы или
известь 2,5 % массы свеклы.
Классификация дефекаторов аналогична
классификации преддефекаторов.
Дефекованный сок поступает на сатура-
цию для адсорбции известковых солей, кол-
лоидов и красящих веществ на частицах угле-
кислого кальция, которые образуются в ре-
зультате взаимодействия углекислого газа и
растворенной извести находящейся в дефеко-
ванном соке. В результате получается хорошо
осаждаемый и фильтруемый осадок. Таким
образом, на сатурации происходит дополни-
тельная очистка сока в результате адсорбции.
Сатурация производится углекислым га-
зом. входящим составной часлью в сатураци-
онний газ, который полу чается при обжиге
известняка и проводится в два приема в аппа-
ратах, которые называются сатураторами.
Сатураторы классифицируют по сле-
дующим признакам:
по направлению движения сока и газа в
аппарате - прямоточные, противоточные и
смешанные:
по способу распределения сока и газа -
слоевые (газ в соке), оросительные (сок в газе)
и комбинированные;
по наличию циркуляции - циркуляцион-
ные и без циркуляции;
по виду перегородок в аппарате - решет-
чатые. тарельчатые и др.;
по способу подачи газа - барботерные и
безбарботерные.
К оборудованию для очистки диффузи-
онного сока предъявляются следующие требо-
вания: энергичное перемешивание продуктов;
поддержание необходимой температуры в ап-
парате; точная дозировка продуктов, посту-
пающих в аппарат; борьба с отложением осад-
ка и надежное удаление пены.
Преддефекаторы. На отечественных са-
харных заводах наибольшее распространение
получили одноступенчатые вертикальные бес-
секционные преддефекаторы типа ПР, которые
до недавнего времени являлись типовыми, и
горизонтальные секционные преддефекаторы
типа ППД, которые широко применяются в
настоящее время.
В марке вертикальных преддефекаторов
ПР-1,5; ПР-2.5; ПР-3,0: ПР-4,5; ПР-6,0 цифра
указывает на производительность (тыс. т свек-
лы в сутки). Преддефекатор типа ПР (рис. 7.59)
представляет собой вертикальный цилиндри-
ческий корпус 8, закрытый крышкой 9 с кони-
ческим днищем 3. По оси аппарата расположен
вертикальный вал 7, установленный в подпят-
нике 7, а верхним концом при помощи муфты
77 соединенный с мотор-редуктором 12 или с
редуктором и электродвигателем, установлен-
ными на раме 10. На вал насажена открытая
турбинная мешалка 4 для перемешивания
630
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Рис. 7.59.Схема вертикального преддефекатора
типа ПР
диффузионного сока и сока первой сатурации,
поступающим соответственно по патрубкам 14
и 2, мешалка с наклонными лопастями 15 для
взмучивания осадка и пеносбрасыватель 6. Для
лучшего перемешивания диффузионного сока
и сока первой сатурации на вертикальных
стенках аппарата установлены контрлопасти 5.
Преддефекованный сок движется снизу
вверх, поступает в переливную коробку 13 и
отводится из нее по патрубку, а пена - по спе-
циальному желобу. Для окончательного спуска
осадка служит угловой вентиль 16.
Широкое использование получили гори-
зонтальные преддефекаторы ППД-1, ППД-2,
ППД-3 и ППД-4. Преддефекаторы марок Ш1-
ППД-2, Ш1-ППД-3 и Ш1-ППД-6 предназначе-
ны для осуществления холодного и горячего
способов прогрессивной преддефекации.
Горизонтальный секционный преддефе-
катор типа ППД (рис. 7.60) представляет собой
прямоугольный корытообразный корпус 1 с
полуцилиндрическим днищем. В нижней части
корпуса имеются неподвижные вертикальные
перегородки, расположенные поперек корпуса
и не доходящие до дна, которые делят аппарат
на несколько секций 7. В верхней части корпу-
са над неподвижные перегородками установ-
лены поворотные заслонки 9.
Внутри аппарата находится горизонталь-
ный вал б, на котором расположены лопастные
Рис. 7.60. Схема горизонтального прогрессивного
преддефекатора типа ПГ1Д
мешалки 5 с горизонтальными лопастями. Вал
вращается от электродвигателя 4 через редук-
тор 3 и открытую зубчатую передачу 2. Для
аппаратов большой производительности при-
воды устраивают с двух сторон.
Диффузионный сок на обработку подво-
дится в аппарат в первую секцию, сок первой
сатурации поступает в третью секцию, а из-
вестковое молоко - в последнюю секцию. От-
вод обработанного сока из аппарата произво-
дится из переливного ящика 77 по патрубку 10.
Дефекаторы. Для проведения процесса
основной дефекации в нашей стране наиболь-
шее распространение получили непрерывно-
действующие вертикальные бессекционные
дефекаторы ОД-1,5; ОД-2,5; ОД-3,0; ОД-4,5;
ОД-6,0, за рубежом - горизонтальные секци-
онные дефекаторы.
В вертикальном бессекционном дефека-
торе типа ОД (рис. 7.61) на вертикальном валу
7, установленном в подпятнике и соединенном
при помощи муфты с приводом и закреплен-
ном на раме, находятся две мешалки. Открытая
турбинная мешалка служит для перемешива-
ния сока, поступающего по трубе 4. В эту же
трубу по патрубку 3 подается известковое мо-
локо. Обработанный сок уходит из дефекатора
по патрубку 5 из переливного кармана б, опре-
деляющего верхний уровень сока в аппарате.
Желоб 7 служит для поступления пены из
преддефекатора в дефекатор, а угловой вен-
тиль - для удаления осадка.
Сатураторы. Отечественной промыш-
ленностью выпускаются противоточные слое-
вые решетчатые безбарботерные сатураторы
непрерывного действия типа 1С для первой
сатурации и 2С для второй сатурации.
Безбарботерный сатуратор типа 1С (рис.
7.62) представляет собой вертикальный цилин-
дрический корпус 2 с расширенной верхней
частью при производительности до 3 тыс. т
свеклы в сутки и без расширенной верхней
части при производительности свыше 3 тыс. т
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
631
Рис. 7.61. Схема вертикального дефекатора
типа ОД
Рис. 7.62. Схема безбарботерного аппарата
первой стадии
свеклы в сутки с коническим днищем. В ниж-
ней части корпуса установлены три решетча-
тые перегородки 3.
Сок поступает в аппарат по трубе 13 на
распределительную тарелку 12, сатурационный
газ - в коллектор 8 через патрубок 4 и по тру-
бам 5, направленным по касательным, - в ко-
ническую часть сатуратора. Отработанный газ
и образующаяся пена поднимаются в верхнюю
часть аппарата. Здесь на пути газа установлен
отражательный зонт / для отделения уносимых
газом капелек сока. Сатурационный сок по
трубе 7 поступает в среднее отделение кон-
трольного ящика 11, которым определяется
уровень сока в аппарате, а из него по патрубку
10 - на дальнейшую переработку, а по патруб-
ку 9 возвращается на преддефекацию. Осадок из
сатуратора спускают через угловой вентиль 6.
Сатуратор типа 2С по конструкции ана-
логичен аппарату первой сатурации, но без
расширенной верхней части, так как вспенива-
ние сока на второй сатурации значительно
меньше, чем на первой сатурации и полный
объем аппарата может быть уменьшен.
К недостаткам сатураторов типа 1С и 2С
можно отнести следующее:
низкий коэффициент использования са-
турационного газа,
возможное переполнение сатуратора и
выброс сока;
неравномерную обработку сока газом по
сечению и объему аппарата.
Применение барботеров способствует
разделению сатурационного газа на мелкие
пузырьки и значительно увеличивает поверх-
ность контакта газа и сока. Благодаря этому
обеспечивается высокий процент использова-
ния сатурационного газа в аппарате.
Барботерный сатуратор (рис. 7.63) пред-
ставляет собой вертикальный цилиндрический
корпус 11 с коническим днищем. В нижней
части корпуса расположены кольцевые барбо-
теры для газа б. Газ в барботеры подается по
радиальным трубам из газового коллектора 7.
Сатурационный газ вначале поступает по пат-
рубку 4 в коллектор подвода газа 3, а из него
по трубам 5 в газовый коллектор 7. Для лучше-
го использования газа в нижней части аппарата
установлены рассекатели 8.
Сок в аппарат по трубе / подается на рас-
пределительный зонт 2, а сатурационный сок
по трубе 9 - в контрольный ящик / 0, которым
определяется уровень сока в аппарате.
Расчет геометрических размеров аппа-
рата. В расчете используются следующие па-
раметры аппарата:
- высота аппарата, соответствующая
полному объему для горизонтальных предде-
фекаторов и сатураторов, и высота аппарата
632
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
В
Рис. 7.63. Схема барботерного аппарата
первой сатурации
без привода, соответствующая полному объему
для вертикальных преддефекаторов и основ-
ных дефекаторов;
Нп - высота, соответствующая полезно-
му объему и определяющая уровень сока в
аппарате;
D - диаметр корпуса вертикальных
преддефекаторов, основных дефекаторов и
сатураторов;
D| - диаметр расширенной части аппа-
рата первой сатурации;
Нк - высота конической части аппарата;
//ц- высота цилиндрической части ап-
парата;
//цп - высота цилиндрической части ап-
парата без конуса до уровня сока в аппарате
для вертикальных преддефекаторов, основных
дефекаторов и сатураторов;
а - угол конуса между образующей и
вертикальной осью;
R - радиус полуцилиндрического днища
горизонтального преддефекатора;
В - ширина горизонтального преддефе-
катора;
L - длина горизонтального преддефека-
тора.
При расчете геометрических размеров
вертикальных преддефекаторов для заданной
производительности предприятия-изготовителя
определяют полный и полезный объемы (м3)
аппаратов:
—ЛРТ— 753)
1440100 р
Г = 1,2Г„, (7.54)
где Гп - полезный объем преддефекатора, м3;
V - полный объем преддефекатора, м3; А -
техническая норма производительности верти-
кального преддефекатора, т свеклы/сутки; Р -
массовая доля преддефекованного сока без
учета возвращаемого сока первой сатурации,
% массы свеклы; т - продолжительность
преддефекации, мин; р - плотность преддефе-
кованного сока, т/м3.
Для горизонтальных преддефекаторов,
основных дефекаторов и сатураторов полезный
объем определяют по формуле (7.53), а полный
[24]
r__
1440-100 фр’
где Р - массовая доля преддефекованного
сока без учета возвращаемого сока первой са-
турации, дефекованного сока без учета воз-
вращаемого сока первой сатурации, сатуриро-
ванного сока без учета возвращаемого сока на
преддефекации) для аппаратов первой сатура-
ции, сатурированного сока для аппаратов вто-
рой сатурации, % массы свеклы; ф - коэффи-
циент заполнения, ф = 0,8 для горизонтальных
преддефекаторов с технической нормой произ-
водительности до 3 тыс. т свеклы в сутки и
ф = 0,85 - свыше 3 тыс. т свеклы в сутки;
ф = 0,7 для дефекаторов производительностью
до 3 тыс. т свеклы в сутки и ф = 0,85 - свыше
3 тыс. т свеклы в сутки; ф = 0,3 для аппаратов
первой сатурации производительностью до
3 тыс. г свеклы в сутки и ф = 0,4 - свыше
3 тыс. т свеклы в сутки; ф = 0,4 для аппаратов
второй сатурации производительностью до
3 тыс. т свеклы в сутки и ф = 0,55 - свыше
3 тыс. т свеклы в сутки; т - продолжитель-
ность преддефекации в зависимости от способа
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
633
проведения при горячем или холодном (теп-
лом) процессе, дефекации в зависимости от
способа проведения при холодном или горячем
процессе сатурации, мин; р - плотность пред-
дефекованного сока, дефекованного сока, не-
фильтрованного сатурированного, т/м3.
Геометрические размеры вертикальных
преддефекаторов рассчитывают по формулам
[25]:
0 = 0,836^77;
Но = 2,337г ;
//^=20;
77K=D/2tga; (7.55)
Нп = Н0-Нк;
//п = Нцп +
Геометрические размеры горизонтальных
преддефекаторов рассчитывают по формулам
[26]:
Н„ = 0,758^77;
для заводов мощностью до 3,0 тыс. т
свеклы в сутки
Hq = 0,8657г ;
для заводов мощностью свыше 3,0 тыс. т
свеклы в сутки
Яо=О,8357г ;
/? = 0,372 Яп;
В = 0,744Яп ;
L =3,355 Н„.
Геометрические размеры основных дефе-
каторов рассчитывают по формулам:
0 = 0,88^7;
для аппаратов с технической нормой
производительности до 3,0 тыс. т свеклы в
сутки
Hq =2,347г ;
для аппаратов с технической нормой
производительности свыше 3,0 тыс. т свеклы в
сутки
Яо =2,117г ;
/7^=1,7£>;
ЯЦ=ЯО-НК;
^11 = + "к
Высоту Нк рассчитывают по формуле
(7.55).
Геометрические размеры аппаратов пер-
вой сатурации рассчитывают по формулам
[27]:
0 = ^7/;
для аппаратов производительностью до
3,0 тыс. т свеклы в сутки
D{ = 0 + 0,6;
для аппаратов с расширенной верхней ча-
стью производительностью до 3,0 тыс. т свек-
лы в сутки
Но =3,05Тг-1,5;
для аппаратов без расширенной верхней
части производительностью свыше 3,0 тыс. т
свеклы в сутки
Но =2,587г .
Геометрические размеры аппаратов вто-
рой сатурации рассчитывают по формулам:
0 = ^77;
для аппаратов производительностью до
3,0 тыс. т свеклы в сутки
Но =2,617г ;
для аппаратов производительностью
свыше 3,0 тыс. т свеклы в сутки
/70=2,17Тг .
Остальные размеры аппаратов первой и
второй сатурации рассчитывают по формулам:
/7^=1,1£>;
ни=н0-нк-,
//п ~ ^цп •
634
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Высоту Нк рассчитывают по формуле
(7.55).
Расчет перемешивающих устройств
аппаратов. В аппаратах преддефекации и ос-
новной дефекации используются мешалки для
энергичного перемешивания сока и известко-
вого молока с целью ускорения химических
реакций и для удаления осадка с внутренней
поверхности корпуса и днища.
В вертикальных преддефекаторах и ос-
новных дефекаторах для перемешивания про-
дуктов применяются открытые турбинные ме-
шалки с прямыми лопастями (рис. 7.64, а).
Диаметр турбинки выбирают в соответствии с
диаметром аппарата: при диаметре D<1500 мм
диаметр турбинки J = (1/3...1/2)D ; при
D>1500 мм диаметр турбинки
J = (1/4...1/3)D.
Мощность, кВт, потребная для привода
открытых турбинных мешалок, определяется:
для турбинных мешалок с плоскими ло-
патками в корпусе с перегородками (контрло-
пастями) при числе лопаток меньше 6
/ \0,43
Д'=0,075-9,48-IO'1 pn3d5 — х
I 4 )
(6) UJ UJ ’
(7.56)
для турбинных мешалок с плоскими ло-
патками в корпусе с перегородками (контрло-
пастями) при числе лопаток больше 6
z \0,43
W =0,075-9,48-ю-1 ри34/5 — х
(7.57)
где р - плотность среды, кг/м3; п - частота
вращения мешалки, с'1; d - диаметр турбин-
ки, м; т\ - количество контрлопастей; -
количество лопастей турбинки; / - длина ло-
патки, м; t - ширина контрлопасти, м.
Формулы (7.56) и (7.57) применяются при
соблюдении следующих условий:
Re>104; 2< —<7; 2< —<4,8;
d d
0,7< —<1,6; 0,15< — <0,5; - = 1,25.
d d h
Для правильного выбора электродвигате-
ля полученную мощность необходимо увели-
чить в 1,5...2 раза, что примерно соответствует
пусковой мощности, потребной для привода
мешалки.
Для расчета лопастных мешалок с гори-
зонтальными лопастями, которые используют-
ся в вертикальных преддефекаторах в качестве
пеносбрасывателей, на рис. 7.64, б приведена
расчетная схема.
Основные размеры лопастных мешалок
при перемешивании сахарных соков можно
d h
принимать: — = 0,66...0,9 ; — = 0,1...0,2;
h Н
— = 0,1...0,3; — = 0,8...1,3, где d - диа-
D D
метр лопастной мешалки, м; D - диаметр
аппарата, м; h - высота лопасти мешалки, м;
b - расстояние лопасти от дна аппарата, м;
Н - высота жидкости в аппарате, м; г - ра-
диус лопасти, м.
Мощность, кВт, потребная для привода
лопастных мешалок с горизонтальными лопа-
стями,
^=0,038vpи3^/4z,
где ц/ — коэффициент, учитывающий увеличе-
ние площади сечения струи жидкости по от-
ношению к величине элементарной площадки
лопасти, зависящей от значения r/h.
r/h.... 1 2 4 10 18 оо
у ..... 1,1 1,15 1,19 1,29 1,4 2
г - радиус лопасти, м; п - частота вращения
мешалки, с-1; z - число пар лопастей.
При расчете лопастных мешалок гори-
зонтальных преддефекаторов можно восполь-
зоваться расчетной схемой, показанной на рис.
7.64, в, для расчета лопастных мешалок с вер-
тикальными лопастями. Расчет ведется отдель-
но по каждой паре лопастей, а затем суммиру-
ется как в каждой секции аппарата, так и по
всем секциям.
Мощность, кВт, потребная для привода
лопастных мешалок с вертикальными лопа-
стями,
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
635
Рис. 7.64. Расчетные схемы мешалок:
а - открытой турбинной; б - с горизонтальными лопастями; в - с вертикальными лопастями;
г - с наклонными лопастями
М=О,О38урЛп3г(</н-</в4)-
В вертикальных преддефекаторах и ос-
новных дефекаторах для взмучивания осадка
применяются мешалки с наклонными лопастя-
ми. Для расчета лопастных мешалок с наклон-
ными лопастями на рис. 7.64, г приведена рас-
четная схема.
Мощность, кВт, потребная для привода
лопастных мешалок с наклонными лопастями,
tga v н2 в2
Расчет патрубков аппарата. При опре-
делении диаметров патрубков аппарата рассчи-
тывают диаметр подводящих и отводящих
трубопроводов
D=J—-—-
V 6782,4ф 1000
где D - диаметр трубопровода, м; V- ско-
рость движения продукта, м/с; р - плотность
перекачиваемого продукта, т/м3.
Скорость движения продукта принимают
по табл. 7.8.
7.8. Скорость движения продуктов
в трубопроводах свеклосахарного
производства
Наименование продукта Скорость движения, м/с, в трубопроводе
всасываю- щем нагнета- тельном
Сок, промой, вода 0,7...1,0 1,2... 1,5
Сгущенная суспензия 0,5...0,7 0,8...1,2
Известковое молоко 0,3...0,6 0,5...0,8
Сатурационный газ 20...25 15...20
636
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
7.4.4. ОБОРУДОВАНИЕ
ДЛЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ
Кристаллизация - процесс выделения
твердой фазы в виде кристаллов из растворов
или расплавов. Методы кристаллизации широ-
ко применяются в пищевой, молочной, хими-
ческой и других отраслях промышленности.
В пищевой промышленности кристалли-
зацию, как правило, проводят из водных рас-
творов. При этом кристаллы могут содержать
молекулы воды (кристаллогидраты) и не со-
держать ее. Технологический процесс кристал-
лизации включает собственно кристаллизацию
(образование кристаллов), отделение маточно-
го (околокристаллического) раствора, перекри-
сталлизацию (если требуется), промывку и
сушку кристаллов.
Кристаллизация из растворов основана на
органической растворимости твердых веществ.
Растворимостью называют концентрацию рас-
творимого вещества в растворе. Она зависит от
свойств растворенного вещества, растворителя,
от температуры и от наличия примесей.
Раствор, в котором имеет место динами-
ческое равновесие между твердой и жидкой
фазой, называется насыщенным. Перенасы-
щенным называется раствор, в котором кон-
центрация растворенного вещества больше его
растворимости. Такой раствор неустойчив и
легко переходит в насыщенный с выделением
твердой фазы в виде кристаллов.
Перенасыщенные растворы могут обра-
зовываться при концентрации раствора с выде-
лением части растворителя, при охлаждении
раствора, при добавлении в раствор веществ,
связывающих растворитель.
Переход вещества из раствора в твердую
фазу осуществляется путем диффузии раство-
ренного вещества через диффузионный погра-
ничный слой, окружающий поверхность кри-
сталла. Скорость процесса кристаллизации
определяется скоростью диффузии вещества
через пограничный слой либо скоростью слия-
ния растворенного вещества с кристаллом.
Согласно закону молекулярной диффузии (Фи-
ка) скорость роста кристаллов можно выразить
уравнением:
d/и DF(Cn--CH)
а" 5 (7-51”
Интегрируя уравнение (7.58), получим
т _Д(СП-СН)
Ft 5
где-----скорость роста кристаллов, кг/(м с);
Fx
т - масса кристаллов, кг; F - площадь по-
верхности кристаллов, м2; т время, с; D -
коэффициент диффузии, м с; Сп - концен-
трация вещества в пересыщенном растворе,
кг/кг; Сн - концентрация вещества у поверх-
ности кристалла, кг/кг; 5 - толщина диффузи-
онного слоя, м.
При ламинарном обтекании кристалла
раствором
I ’
где ц - динамическая вязкость насыщенного
раствора, МПа с; V - скорость движения кри-
сталлов в растворе, м/с; V ~ 1/р согласно за-
кону Стокса.
Зависимость коэффициента диффузии
молекул растворенного вещества в жидкости
от температуры и вязкости имеет вид:
D^KT/y^
где Т - температура. К; К - постоянная, за-
висящая от природы вещества. После подста-
новки величин б, D уравнение (7.59) примет
вид:
т КГ(СП-СН)
—=——— • <7-6°)
и2
2
При ц = 1, в случае кристаллизации са-
харозы, К - 2318 .
Основными факторами, определяющими
скорость кристаллизации, являются степень
пересыщения растворов, интенсивность пере-
мешивания, температура, образование центров
кристаллизации и наличие примесей в раство-
ре.
Процесс кристаллизации включает две
стадии: образование центров кристаллизации и
рост кристаллов. Образование центров кри-
сталлизации может возникать самопроизволь-
ное путем добавления в раствор измельченных
кристаллов. Например, при производстве сгу-
щенного молока с сахаром затравкой является
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
637
сухая измельченная лактоза (размер кристал-
лов 2...3 мкм). При ее внесении увеличивается
количество центров кристаллизации, что спо-
собствует образованию большого количества
мелких кристаллов. Рост кристаллов проходит
на образовавшемся центре за счет адсорбации
частиц растворенного вещества из раствора.
Процесс кристаллизации может прово-
диться периодически и непрерывно. В пищевой
промышленности используются следующие
методы кристаллизации из пересыщенных рас-
творов: с частичной отгонкой воды, охлажде-
нием или нагреванием исходного раствора,
комбинированные.
Кристаллизация с частичной отгонкой
воды происходит в выпарных аппаратах.
Конструкция кристаллизаторов. В
пищевой промышленности используются кри-
сталлизаторы периодического и непрерывного
действия.
Кристаллизатор-охладитель периодиче-
ского действия РЗ-ОКО представляет собой
ванну с двойными стенками, внутри которых
циркулирует охлаждающаяся жидкость - вода
(рис. 7.65). Внутри ванны вращается шнек-
мешалка для перемешивания раствора. Ванна
имеет крышку 3, изолирующую продукт от
окружающей среды. Рабочий объем ванны
составляет 2000 л. Кристаллизатор использует-
ся в молочной промышленности для выработки
молочного сахара. Размеры получаемых кри-
сталлов не превышают 0,5...0,6 мм.
Кристаллизатор-охладитель периодиче-
ского действия с ленточной мешалкой
КМСР-72 (рис. 7.66) предназначен для кри-
сталлизации молочного сахара. Он имеет гори-
зонтально расположенную ванну 3 полуцилин-
дрической формы с двойным дном и двойными
стенками, между которыми циркулирует охла-
ждающая вода. Внутри ванны расположена
ленточная мешалка. Ванна закрыта крышкой.
После заполнения ванны раствором в рубашку
подается охлаждающая вода и включается ме-
шалка. Перемешивание и охлаждение раствора
производятся до момента выпадения кристал-
лов. По окончании процесса кристаллизации
проводят промывку кристаллов холодной во-
дой. Кристаллы оседают на дно ванны и вы-
гружаются мешалкой через кран.
Барабанные кристаллизаторы с водяным
и воздушным охлаждением (рис. 7.67) перио-
дического действия имеют кожух 1, в котором
вращается цилиндрический барабан 2. В кожух
подается охлаждающая вода или воздух. Ба-
рабан имеет уклон в сторону выхода суспен-
зии. Раствор поступает с верхнего конца бара-
бана, а кристаллы выгружаются с нижнего
конца. При вращении барабана раствор смачи-
вает стенки, увеличивая тем самым площадь
поверхности испарения воды. Для предотвра-
щения оседания кристаллов на стенки преду-
смотрен обогрев паром нижней части барабана.
Рис. 7.65. Кристаллизатор-охладитель РЗ-ОКО
для молочного сахара:
1 - привод; 2 - конечный выключатель; 3 - крышка;
4 - воронка; 5 - кран
Рис. 7.66. Общий вид кристаллизатора-охладителя КМСР-72:
1 - привод; 2 - вал с витком; 3 - ванна; 4 - рама
638
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Рис. 7.67. Барабанный кристаллизатор:
1 - кожух; 2 - барабан; 3 - приемник суспензии; 4 - ролик; 5 - змеевик; 6 - воронка
Рис. 7.68. Схема вертикальной вакуум-охладительиой установки:
1 - испарители; 2 - конденсатор первой ступени; 3 - конденсатор второй ступени; 4 - эжектор;
5 - конденсатор третьей ступени; 6 - мешелка
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
639
Острый пар
Рис. 7.69. Горизонтальный вакуум-кристаллизатор с комбинированным охладителем:
1 - масляные кольца; 2 - масленка; 3 - подшипник; 4 - сальниковая набивка; 5 - патрубок для входа воды;
6 - втулка сальника; 7 - муфта; 8 - редуктор; 9 - электродвигатель; 10 - крышка сальника; 11 - вал мешалки;
12 - люк; 13, 16- дистанционные термометры; 14, 21 - вакуумметры; 15 - термограф; 17 - смотровое с текло;
18-трубы мешалки; /9- эжектор второй ступени; 20- поверхностный конденсатор;
22 - эжектор первой ступени; 23 - манометр; 24- пусковой эжектор; 25 - трубчатый охладитель для воды
В вакуум-кристаллизаторах периодиче-
ского действия (рис. 7.68) раствор охлаждается
за счет самоиспарения растворителя под ва-
куумом и его частичного удаления. Аппарат
имеет два испарителя 7, которые обеспечивают
непрерывную работу установки. При оконча-
нии технологического цикла в одном испари-
теле в работу включается другой. Каждый ис-
паритель имеет мешалку 6, обеспечивающую
интенсивное перемешивание раствора, а также
многоступенчатую систему эжекторов и кон-
денсаторов, поддерживающую заданный уро-
вень вакуума. Аппараты используются в мо-
лочной промышленности для производства
сгущенного молока с сахаром.
В вакуум-кристаллизаторах с комбиниро-
ванным охлаждением (рис. 7.69) раствор по-
ступает в горизонтально расположенный испа-
ритель. После заполнения испарителя продук-
том включаются эжекторы, которые обеспечи-
вают заданный уровень вакуума. Под вакуу-
мом теплый раствор вскипает (причем удаля-
ется часть растворителя) и раствор охлаждает-
ся до температуры кристаллизации за счет са-
моиспарения части растворителя. Отвод тепло-
ты в процессе кристаллизации происходит
через поверхность труб мешалки холодной
водой. Вода предварительно охлаждается в
трубчатом охладителе. Вакуум-кристаллизатор
используется в молочной промышленности при
производстве сгущенного молока.
В вакуум-аппаратах, используемых в
промышленности для производства сахара,
интенсификация процесса кипения достигается
благодаря подводу теплоты в греющую камеру.
Вакуум-аппарат имеет вертикальный корпус, в
верхней части которого расположены ловушки,
препятствующие попаданию брызг раствора в
вакуумную систему. В нижней части аппарата
расположена греющая камера. В коническом
днище смонтирован спускной затвор. Трубные
решетки греющей камеры односкатные кони-
ческие, в центре камеры установлена циркуля-
ционная труба. Камера имеет патрубки для
подвода пара и отвода конденсата. Аппарат
снабжен коллектором, к которому присоедине-
ны патрубки для подачи растворов. Выход
готового продукта осуществляется через вен-
тиль, расположенный в конусной части днища.
В конструкции вакуум-кристаллизаторов
может быть предусмотрен обогрев нижней
части корпуса с целью уменьшения оседания
кристаллов на дно аппарата. Вакуум-аппарат
(рис. 7.70) имеет цилиндрический корпус с
конической верхней частью и днищем. В верх-
ней части расположена ловушка для отделения
капель раствора от паров растворителя. За ло-
640
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Рис. 7.70. Вакуум-аппарат типа А2-ПВЕ-60:
/ - затвор выпуска продукта; 2 - корпус; 3 - воздушный шибер; 4 - ловушка;
5 - греющая камера; 6 - паровая камера
вушкой расположен воздушный шибер. В
нижней части корпуса имеется греющая камера
подвесного типа с центральной циркуляцион-
ной трубой. У днища расположена веерообраз-
ная паровая камера, которая препятствует осе-
данию кристаллов и улучшает циркуляцию
раствора. Подобные аппараты используются в
сахарной промышленности при производстве
сахара.
Вакуум-кристаллизатор непрерывного
действия (рис. 7.71) имеет концентратор, кри-
сталлогенератор и камеру роста кристаллов. В
концентраторе раствор сгущается при повы-
шенном давлении потока, при этом температу-
ра раствора превышает температуру кристал-
лообразования на 10... 15 °C. Затем раствор
поступает в кристаллизатор, где вскипает под
вакуумом. При этом удаляется часть раствори-
теля и снижается температура. В результате
пересыщения раствора происходит образова-
ние кристаллов. В нижней части аппарата, где
расположена камера роста кристаллов, процесс
кристаллизации заканчивается, и смесь непре-
рывно удаляется из аппарата.
Основы расчета кристаллизационных
аппаратов. Баланс массы на начальный и ко-
нечный моменты процесса кристаллизации
определяется уравнением:
ти ~тм +тКп + JF~тк + JF , (7.61)
где тн - масса исходного раствора, кг; /лкр -
масса конечного продукта (кристаллов), кг;
тм - масса маточного раствора, кг; IF - мас-
са испаренного растворителя, кг; тк - кри-
сталлизующаяся масса в конце процесса, кг.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
641
Рис. 7.71. Схема кристаллизатора
непрерывного действия:
I - конденсатор; 2 - труба; 3 - штурвал
для регулирования положения трубы;
4 - кристаллогенератор; 5 - сливная труба;
6 - барботер; 7 - выгрузочное устройство;
8 - камера роста кристаллов
Баланс массы кристаллизующегося веще-
ства определяется уравнением:
+,77кр^ кр , (7.62)
где Сн - концентрация исходного раствора,
кг/кг; См - концентрация маточного раствора,
кг/кг; Скр - отношение атомных масс раство-
ренного вещества и кристаллогидрата (при
выделении кристаллов в безводной форме);
= 1С = -^
1 ’ VKD
™кр
Масса полученных кристаллов
_™н(сн-см)->гсм
WKP г г
кр
(7.63)
кр м
При проведении процесса без удаления
растворителя уравнение (7.63) принимает вид:
(^н См )
wkd =-------------
кр Г' _ С
скр
(7.64)
Тепловой баланс. В общем случае при
кристаллизации с охлаждением раствора и
удалением части растворителя баланс теплоты
выражается уравнением:
Qi +Qi +йз -Й4 +С?5 +Й6 +(?7 +Qs >
где Qi - количество теплоты, вносимой с ис-
ходным раствором, Дж;
Q1 - количество теплоты, сообщаемой рас-
твору при нагревании. Дж,
- количество теплоты, выделяемой при
образовании кристаллов, Дж;
Оз ~ ^кр гкр ’
О4 - количество теплоты, уходящей с кри-
сталлами, Дж;
С?4 — ^гкрскр^2 ’
О5 ~ количество теплоты, уходящей с маточ-
ным раствором, Дж;
Й5 = тмс212-
- количество теплоты, удаляемой с парами
растворителя, Дж;
йб = wi";
О7 - количество теплоты, переданное охлаж-
дающему агенту, Дж;
при охлаждении водой Q-j = mecQ (/к -/н ) ;
при охлаждении воздухом Qj (z7 _/2 )’
- потери теплоты в окружающую среду,
Дж;
С?8 — ctFT(/CI — tB);
где тн - масса исходного раствора, кг; wKp -
масса кристаллов, кг; w - масса удаленного
растворителя, кг; тм - масса маточного рас-
твора, кг; С| ,<?2 ,скр - удельная теплоемкость
соответственно исходного, маточного раство-
ров и кристаллов, Дж/(кг °С); t\ ,/2 - темпера-
тура соответственно исходного и маточного
растворов, °C; г - теплота кристаллизации,
Дж/кг; i” - энтальпия вторичного пара, Дж/кг;
- масса охлаждающей воды, кг; св -
21 — 8434
642
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
удельная теплоемкость воды, Дж/(кг°С);
/н,/к- соответственно начальная и конечная
температура охлаждающей воды, °C; тиов -
масса охлаждающего воздуха, кг; i{, - соот-
ветственно начальная и конечная энтальпия
воздуха, Дж/кг; а - коэффициент теплоотда-
чи, Вт/(м2 оС); F - площадь поверхности кон-
„ ~ 2
такта с окружающей средой, м ; т - время
проведения процесса кристаллизации, с;
/ст _ температура соответственно стенки и
воздуха, °C.
При использовании различных методов
кристаллизации уравнение баланса корректи-
руется:
при выпаривании с кристаллизацией
07=0;
при кристаллизации с охлаждением во-
дой или воздухом =0 ;
при вакуум-кристаллизации — Q-] =0;
при расчетах кристаллизаторов с охлаж-
дением можно пренебречь потерями в окру-
жающую среду.
7.5. ОБОРУДОВАНИЕ
ДЛЯ ВАКУУМНОЙ СУБЛИМАЦИОННОЙ
СУШКИ
В настоящее время сформировалось два
типа конструкций оборудования для вакуум-
ной сублимационной сушки продуктов - уста-
новки непрерывного действия и периодическо-
го. В установках непрерывного действия прак-
тически обязательным является предваритель-
ное замораживание сырья в виде дискретных
частиц - гранул. Гранулированный материал
через вакуумные шлюзы вводится в рабочую
камеру, затем перемещается по технологиче-
скому тракту на движущихся лентах виброкон-
вейеров либо перемешивается во вращающих-
ся барабанах и т.д. К гранулам осуществляется
подвод энергии кондукцией, радиацией, СВЧ-
полем или совместным воздействием этих фак-
торов. Высушенный материал через шлюз вы-
водится из рабочей камеры.
Установки непрерывного действия слож-
ны по конструкции несмотря на свою техниче-
скую привлекательность не получили широко-
го распространения.
На предприятиях повсеместно до 95 %
применяются установки периодического дей-
ствия, позволяющие выпускать широкий ас-
сортимент продуктов сублимационной сушки
без каких-либо потерь исходного продукта и
времени на их переналадку.
7.5.1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ УСТРОЙСТВА И
РАБОТЫ СУБЛИМАЦИОННЫХ УСТАНОВОК
Установки периодического действия
представляют собой основу пищевой и микро-
биологической промышленности и использу-
ются в технологиях влагоудаления сублимаци-
ей. В общем случае вакуумная сублимационная
установка содержит элементы, показанные на
рис. 7.72. Сушка сырья осуществляется в рабо-
чей камере /, в которой размещены полки 3.
Внутри этих полок, изготовляемых обычно из
алюминиевых сплавов с высокой теплопровод-
ностью, находятся по два изолированных друг
от друга змеевика.
Первый змеевик служит для предвари-
тельного охлаждения полок перед загрузкой на
них лотков 2 с предварительно замороженным
сырьем (замораживание сырья может осущест-
вляться и непосредственно на полках). Охлаж-
дение полок осуществляется циркулирующим
в змеевике хладоносителем, охлаждаемым по-
средством холодильной машины 11 или при
непосредственном испарении в них хладагента.
Рис. 7.72. Принципиальная схема вакуумной
сублимационной установки для сушки
термолабильных объектов в условиях
кондуктивного энергоподвода:
/ - рабочая камера; 2 - лотки (противни)
с высушиваемым сырьем; 3 - термостатируемые
полки; 4 - вакуумная задвижка; 5 - охлаждаемая
поверхность десублимагора; 6- вакуумный насос;
7 - холодильная машина десублиматора;
8 - насос для циркуляции теплоносителя в системе
нагрева полок; 9 - емкость для нагрева
теплоносителя; 10- греющий элемент;
/ / - холодильная машина, охлаждающая полки
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ВАКУУМНОЙ СУБЛИМАЦИОННОЙ СУШКИ
643
Второй змеевик предназначен для подвода
теплоты к объекту высушивания: через него
прокачивается нагретый теплоноситель по-
средством насоса 8. Теплоноситель нагревается
в емкости 9 с использованием электронагрева-
теля 10.
Пространство рабочей камеры I через ва-
куумный затвор 4 соединено с десублимато-
ром, в котором размещены элементы 5, на ко-
торых происходит вымораживание (десубли-
мация) удаляемых из высушиваемого сырья
паров влаги. Охлаждение поверхности десуб-
лимации обеспечивается холодильной маши-
ной 7. Удаление неконденсируемых газов и
создание в рабочей камере требуемого вакуума
осуществляется вакуумным насосом 6. Регист-
рация режимных параметров процесса выпол-
няется посредством пульта управления.
Следует отметить, что для высушивания
таких термолабильных объектов сушки, как
лекарственные препараты, ферменты, закваски,
продукты питания и сырье для их производст-
ва, в таких сублимационных установках харак-
терны следующие режимные параметры: ваку-
ум в рабочей камере (13,3... 133 Па), температу-
ра полок от -40 °C на этапе загрузки сырья в
камеру и (или) его замораживания до +60 °C к
моменту завершения сушки; температура по-
верхности десублиматора -30 °C...-70 °C. Отме-
тим, что пищевые продукты в большинстве
своем могут быть высушены в более жестких
температурных режимах, чем указаны выше.
Представленная на рис. 7.72 принципи-
альная схема имеет очень большое количество
конкретных конструктивных решений отечест-
венных и зарубежных производителей. Харак-
терным примером универсальной установки,
предназначенной для сушки пищевых продук-
тов, ферментов, лекарственных средств служит
отечественная установка УВС-4 НПО «Ваку-
уммаш» (г. Казань).
Общий вид этой сублимационной уста-
новки представлен на рис. 7.73. Установка
имеет следующие технические параметры:
Производительность (максималь-
ная), кг сырья/цикл сушки....... 75
Давление в рабочей камере, Па (мм
рт. ст), не более............... 40 (0,3)
Температура плит для размещения
объектов сушки, °C.............. -25...+95
Рис. 7.73. Промышленная вакуумная сублимационная установка периодического действия УВС-4:
/ - циркуляционные насосы системы термостатирования полок; 2- вакуумные насосы; 3 - одноступенчатая
холодильная машина системы охлаждения полок; 4- пульт управления сублимационной установкой;
5 - каскадная холодильная машина для охлаждения десублиматора; 6 - десублиматор; 7 - вакуумная
задвижка; 8 - рабочая сушильная камера; 9 - греющие плиты; 10- лотки (противни) для продуктов
21 *
644
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Температура плит десублиматора, °C ... -60
Установленная электрическая мощ-
ность, кВт.......................... 28
Расход охлаждающей воды, м3/ч, менее 1,7
Габаритные размеры (длина,
ширина, высота), мм....... 3914x5327x2584
Рассмотрим основные моменты процесса
высушивания термолабильного сырья. В про-
тивни 10, прошедшие санитарную обработку,
помещается высушиваемый материал. При
этом в два-три противня закрепляются термо-
пары для последующего контроля температуры
объекта сушки. Материал в противнях подвер-
гается предварительному замораживанию в
отдельных скороморозильных аппаратах. За-
мораживание можно осуществить, разместив
противни на предварительно охлажденных до -
35...-40 °C полках 9 непосредственно в камере
сублимационной установки 8.
Одновременно с процессом заморажива-
ния выполняется подготовка сублимационной
установки к работе: включается каскадная хо-
лодильная машина 5, которая после выхода на
заданный режим работы доводит температуру
плит десублиматора 6 до заданной температу-
ры, обычно -50..-55 °C. Пускаются вакуумные
насосы 2 для их прогрева и выхода на рабочий
режим.
Как правило, подготовка сублимацион-
ной установки к работе занимает 30...40 мин,
цикл предварительного замораживания сырья
на полках установки 2...3 ч.
По окончании цикла замораживания и
выхода на рабочий режим холодильной маши-
ны и вакуумных насосов (эти параметры кон-
тролируются приборами на пульте управле-
ния), оператор проверяет положение двери
сушильной камеры - она должна прилегать
равномерно к камере по уплотняющему торцу.
По команде с пульта управления открываются
вакуумная задвижка 7, клапаны, соединяющие
с вакуумными насосами вакуумируемый объем
камеры, и десублиматора.
В сушильной камере достигается задан-
ный уровень вакуума, стабилизируется темпе-
ратура в высушиваемом материале; этот мо-
мент принимается за начальную точку отсчета
времени высушивания. Температура полок
постепенно повышается, программа роста тем-
пературы задается с пульта управления в авто-
матическом режиме либо вручную оператором
установки. При этом температура в высуши-
ваемом материале - температура сублимации,
остается практически неизменной. Ее значение
определяется уровнем вакуума в сушильной
камере; для пищевых продуктов характерным
значением является -20.. -35 °C. Такой режим
поддерживается до того момента, пока в высу-
шиваемом продукте исчезнут (отсублимируют-
ся) последние участки льда. Этот этап сушки
называется периодом сублимации; он занимает
по времени 10...20 ч в зависимости от свойств
объекта сушки, толщины высушиваемого слоя,
режима подвода теплоты.
С этого момента температуру плит дово-
дят до максимально допустимого значения; для
пищевых продуктов обычно это +45...+55 °C.
При этом происходит удаление связанной*вла-
ги. Этот этап сушки получил название «досуш-
ки». Продолжительность его составляет обыч-
но 15...25 % продолжительности периода суб-
лимации.
Признаком окончания цикла высушива-
ния является достижение температуры объекта
сушки максимального заданного значения и
нахождение при этой температуре в течение
1...3 ч. Выключение сублимационной установ-
ки предполагает последовательное выполнение
следующих операций: закрытие вакуумной
задвижки 7, остановку вакуумных насосов,
выключение холодильной машины 5, выклю-
чение системы обогрева полок, девакуумиро-
вание (заполнение) объема сушильной камеры
атмосферным воздухом через фильтр, либо
инертным газом - азотом. Противни с высу-
шенным продуктом вынимаются из сушильной
камеры, продукт перегружается в емкость для
временного хранения до момента его упаковки.
Характерная относительная конечная
влажность термолабильных материалов, высу-
шенных сублимацией, порядка 2,5...4 %. При
соответствующей герметичной упаковке суб-
лимируемые продукты могут храниться в нере-
гулируемых температурных условиях два-три
года.
7.5.2. РАСЧЕТ ПРОЦЕССА СУБЛИМАЦИОННОЙ
СУШКИ ТЕРМОЛАБИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Ключевым моментом расчета процесса
сублимационной сушки является определение
его длительности. Сублимационное обезвожи-
вание в вакууме является сложным тепломас-
сообменным процессом, длительность которо-
го является функцией теплофизических харак-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ВАКУУМНОЙ СУБЛИМАЦИОННОЙ СУШКИ
645
теристик объекта высушивания (теплопровод-
ности, теплоемкости, влагосодержания) и тех-
нологических свойств (допустимой температу-
ры нагрева, условий предварительного замо-
раживания, количества влаги, которое необхо-
димо удалить именно фазовым переходом лед-
пар, т.е. сублимацией и т.д.).
Для понимания основных моментов про-
цедуры расчета длительности высушивания,
рассмотрим сложившиеся в практике принци-
пы выбора основных режимных параметров,
важнейшими из которых являются следующие.
Температура сублимации, т.е. темпера-
тура, при которой происходит удаление замо-
роженной части влаги возгонкой (сублимаци-
ей). находится в однозначной зависимости от
глубины вакуума в рабочей камере: по мере
увеличения глубины вакуума температура суб-
лимации понижается. Высушивание в глубо-
ком вакууме при низких температурах субли-
мации требует больших энергозатрат и сопря-
жено с усложнением оборудования. Поэтому
выбор температуры сублимации является важ-
нейшим исходным шагом расчета процесса
обезвоживания в целом.
Многолетний опыт эксплуатации субли-
мационных установок в нашей стране и за ру-
бежом, комплексный анализ показателей каче-
ства самых разнообразных сухих продуктов,
привел к следующему выводу: фазовым пере-
ходом лед-пар должно удаляться порядка
80...85 % содержащейся в объекте сушки влаги.
Каждому виду сырья соответствует определен-
ная температура замораживания, а в ходе по-
следующего высушивания - конкретная темпе-
ратура сублимации, обеспечивающая вымора-
живание указанного выше количества влаги.
Существует большое количество литературных
источников, в которых приводятся конкретные
значения уровня вымороженной влаги от тем-
пературы [31 - 33]. Общей закономерностью
является понижение температуры сублимации
для объектов сушки, содержащих в значитель-
ных количествах соль, кислоту, сахар. Ниже
приведены характерные значения температур
сублимации для некоторых пищевых продуктов.
Максимально допустимая температу-
ра определяется такими технологическими
характеристиками объектов высушивания, как
термолабильность белков, аминокислот, вита-
минов и др. Уровень отрицательного воздейст-
вия температур на продукт согласно современ-
ным воззрениям необходимо рассматривать в
координатах уровень температуры - длитель-
ность воздействия.
Конечная влажность высушенного ма-
териала выбирается в зависимости от задан-
ных сроков и условий хранения (они возраста-
ют при прочих равных условиях с уменьшени-
ем конечной влажности). Следует отметить,
что имеются данные об отрицательном воздей-
ствии на качество сухого продукта излишне
низкого уровня влажности (менее I %).
Характерные численные значения ре-
жимных параметров, при которых пищевые
продукты могут быть получены достаточно
высокого качества при умеренно низких тем-
пературах сублимации-10...-30 °C [31]:
для овощей около -10 °C:
для ягодных, фруктовььх соков и пюре
-20...-30 °C;
для продуктов животного происхождения
(мяса, рыбы и др.) -15...-20 °C;
для молочных продуктов -22...-27 °C.
Биологические материалы и препараты
приемлемого качества сушатся при температу-
ре сублимации в диапазоне -35...-50 °C.
Допустимый уровень температур ма-
териала в период удаления остаточной вла-
ги для разных температур отличается друг от
друга и находится в пределах, °C [31]:
для мясных продуктов 40...55;
для молочных продуктов 40...50;
для растительных продуктов 50...55;
для биологических материалов и лекарст-
венных препаратов 20...40.
Максимальный уровень подвода теп-
лоты определяет максимальные производи-
тельности вакуумных агрегатов, холодильных
агрегатов системы конденсации водяных паров
и замораживания продукта, системы теплопод-
вода к продукту и влияет на длительность про-
цесса сушки. В пищевых производствах боль-
шой и средней производительности применяют
в основном универсальные сушильные уста-
новки периодического действия для выпуска
широкого ассортимента пищевых продуктов
животного и растительного происхождения. В
них подвод теплоты к продукту осуществляет-
ся радиацией, без непосредственного контакта
противней с продуктом с нагревательными
панелями (плитами). В пищевых производст-
вах малой производительности и предприяти-
ях, выпускающих медицинские препараты,
лекарства и специальное биологическое сырье,
применяют полочные сушилки, в которых про-
тивни с продуктом (или специальные кассеты с
флаконами) устанавливают непосредственно
на полки (плиты); при этом обеспечивается
646
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
кондуктивный подвод теплоты к продукту от
нижней плиты и радиационный - от верхней.
Обычно при сушке пищевых продуктов
максимальный удельный уровень подвода теп-
лоты радиацией к продукту в начальный пери-
од обеспечивается в диапазоне 1,5... 1,8 кВт/м2
противня; при кондуктивном подводе 1,6...
1,7 кВт/м2 при изменении температуры плит от
отрицательных до положительных; 0,8...
0,85 кВт/м2 - при регулировании температуры
плит в настраиваемом для конкретного про-
дукта диапазоне. Например, верхний настраи-
ваемый предел максимально допустимой тем-
пературы составляет (+38±2) °C для кефира с
обеспечением работы нагревателей (плит) по
схеме включено - выключено.
По второй схеме (кондуктивный тепло-
подвод) работают все установки для сушки
медицинских и биологических препаратов.
Определение длительности сублимаци-
онной сушки в условиях промышленного
производства. Минимальная длительность
процесса сушки продуктов при условии сохра-
нения удовлетворительных качественных пока-
зателей определяет его скорость. Как отмечено
выше, она состоит из длительности сублима-
ции льда из замороженного продукта и дли-
тельности тепловой вакуумной досушки, свя-
занной в сухом его веществе влаги при поло-
жительных температурах. Отечественными и
зарубежными авторами предложен целый ряд
формул для расчета длительности цикла суш-
ки, но все они являются приближенными, не
отражают полностью всей сложности тепло-
массообменных процессов, имеющих место в
сублимационных установках. Анализируя все
многообразие расчетных зависимостей дли-
тельности периода сублимации тс, получен-
ных, как правило, путем решения задачи Сте-
фана с движущейся поверхностью фазового
перехода (фронта сублимации) для слоя высу-
шиваемого материала толщиной h следует
отметить, что в первом приближении расчет-
ные формулы имеют вид:
с 2КЬТ
где р -- количество удаляемого сублимацией
льда, при теплоте фазового перехода г; X -
теплопроводность слоя материала, через кото-
рый передается тепловой поток; АГ - темпе-
ратурный напор, разность температур в зоне
сублимации и на теплоподводящей поверхно-
сти.
Представленная зависимость по своей су-
ти верно отражает взаимное влияние основных
параметров процесса высушивания, но в то же
время не может быть использована для точного
определения длительности периода сублима-
ции. В дальнейших рассуждениях за основную
аналитическую зависимость принята зависи-
мость, предложенная Б.П. Камовниковым для
расчета общей продолжительности тс , которая
имеет вид:
тс = Ah2 +Bh .
Коэффициенты А и В получены автором
на основании обработки огромного статисти-
ческого материала по результатам эксплуата-
ции промышленных сублимационных устано-
вок. По этой причине она может быть исполь-
зована в инженерных расчетах с высокой сте-
пенью достоверности. Значения коэффициен-
тов А и В приведены в табл. 7.9.
При использовании приведенных в ней
данных можно приближенно рассчитать дли-
тельность сушки различных продуктов при
заданной толщине и определить производи-
тельность имеющихся сушильных установок
при известных для них значениях максималь-
ного теплового потока к продукту.
Предложенная Б.П. Камовниковым мето-
дика инженерного расчета удобна для практи-
ческого использования тем, что при минималь-
ном числе исходных данных для каждого кон-
кретного случая можно приближенно рассчи-
тать длительность сушки и основных ее перио-
дов для любой реальной толщины материала.
Зная длительность процесса сушки, мож-
но провести расчет характеристик основных
систем установки.
Пример расчета. Ниже приведены данные по
расчету систем наиболее широко применяемых в
пищевой промышленности установок периодическо-
го действия при сушке продуктов на противнях,
расположенных на вводимых в сушильную камеру
по подвесным путям тележках - этажерках.
В сушильной камере противни устанавливают
в зазоры между плитами - нагревателями, обеспечи-
вающими радиационный сверху и кондуктивный
снизу теплоподвод к продукту. Для обеспечения
коэффициента поглощения теплоты радиацией до
£ = 0,9. .0,94 наружная поверхность противней по-
крывается специальным термостойким и износо-
стойким покрытием черного цвета. При выполнении
процесса сушки поток тепловой энергии лучеиспус-
канием сверху превышает на 6. .8 % поток снизу,
который передается кондукцией к продукту через
стенку днища противня.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ВАКУУМНОЙ СУБЛИМАЦИОННОЙ СУШКИ
647
7.9. Обработка экспериментальных данных
Сырье Исходные данные Расчетные данные
А, мм Т1, ч Тп, Ч ^н, кг/кг кг/кг W\, кг/кг л, ч/мм2 в, ч/мм2
Яблочное пюре 10 0,46 12,24 6,15 0,045 5,55 0,1220 0,0460
Абрикосовое пюре 12 0,67 13,33 5.60 0,064 4,80 0,0926 0,0558
Земляника «Молдаванка» 46 0,26 11,74 10,50 0,030 10,10 0,0055 0,0057
Слива «Анна Шпет» 26 0,31 10,99 4,55 0,036 4,15 0,0163 0,0119
Абрикосы «Красный партизан» 30 0,46 9,44 5,46 0,037 5,39 0,0105 0,0153
Репчатый лук в ломтиках 10 3,00 5,00 3,35 0,042 0,28 0,0500 0,3000
Лук 10 2,80 4,87 7,30 0,020 0,28 0,0487 0,280
Лук для реализации 7 3,41 5,85 7,30 0,015 0,28 0,1194 0,487
Спаржа 28 3,00 5,50 9,00 0,020 0,43 0,0700 0,1071
Картофель в ломтиках 15 4,50 9,45 4,32 0,050 0,75 0,0420 0,3000
Филе палтуса 20 2,50 5,00 5,40 0,020 0,38 0,0125 0,1250
Рыбный фарш 10...22 - - - - - 0,0218 0,2020
Свиной рубленый шницель 13 2,00 5,50 6,70 0,010 0,35 0,0325 0,1538
Свинина в кусках 8 2,10 4,51 2,31 0,030 - 0,0705 0,2625
Куриной мясо в ломтиках 15 2,50 5,00 2,12 0,010 0,32 0,0222 0,1670
Яичный меланж 8 3,10 5,38 2,84 0,037 - 0,0841 0,3875
Яичный белок 2...12 - - 4,13 0,050 - 0,0130 0,2550
Простокваша 2...12 - - - - - 0,0178 0,3690
Кефирные грибки 12 5,00 8,14 2,84 0,036 - 0,0565 0,4170
Примечание. Обозначения: h - толщина слоя материала сушки; tj - время постоянное подвода те-
плоты к продукту; тп - время убывающего подвода теплоты к продукту; WH, и - влагосодержание мате-
риала соответственно начальное, конечное и среднеобъемное, кг/кг.
На рис. 7.74 показана схема установки перио-
дического действия СВП-68, общей площадью про-
тивней 5пр =68 м2.
• Расчет подвода теплоты к продукту в те-
чение процесса сушки и тепловых потерь заключает-
ся в следующем.
Теоретически затраты тепловой энергии толь-
ко на испарение влаги из продукта
где Gn - масса испаренной из продукта влаги, кг;
г - удельная теплота сублимации при заданной
температуре сублимации ts [31].
Расчеты выполняются для восьми- и двенадца-
тичасового циклов сушки, которые удобны для пла-
нирования производства сублимируемых продуктов
в сутки и партий продуктов различного ассортимен-
та.
В рабочий цикл сублимационной сушки пище-
вых продуктов входят:
загрузка - выгрузка тележек с продуктом из
сушильной камеры (~ 5 . 7 мин);
создание рабочего давления (разряжения)
10...12 мин;
сушка замороженного продукта (« 7...11 ч);
девакуумирование камеры (до 5 мин);
регенерация конденсатора (сброс с его поверх-
ности льда и вывод конденсата наружу);
санитарная обработка и сушка камеры (при
необходимости).
В соответствии с заданным циклом сушки, на
основании расчетов и результатов отработки в про-
мышленных условиях режимов сушки продуктов для
них определяется удельная нагрузка на противень
Суд (кг/м2). Например, для восьмичасового цикла
648
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Рис. 7.74. Схема сублимационной установки периодического действия CBII-68:
/ - сушильная камера; 2 - нагреватель (плиты); 3 - противень; 4,6- экраны; 5 - продуктовая тележка;
7- конденсатор (десублиматор); 8 - вакуумпровод; 9 - вакуумный агрегат; 10 - холодильный агрегаг;
11- нагреватель теплоносителя; 12 - центробежный насос; 13 - теплообменник охлаждения теплоносителя
при длительности операции сушки 7 ч для расти-
тельного сырья с 10 %-ным содержанием сухих ве-
ществ (СВ) Суд =7,68 кг/м2.
При коэффициенте выхода по сухому продук-
ту кс =0,1034 удельное испарение влаги с 1 м2
противня за цикл сушки = Gya (1 -0,1034) ;
И; =6,886 кг/м2.
Усредненное удельное значение количества
испаренной влаги (кг/ч) с 1 м2 за цикл сушки
И7у =и;/т; Н'\. =6,886/7 = 0,984 кг/(м2 ч).
При температуре сублимации ts = 25 °C, при
которой обеспечивается удовлетворительное качест-
во высушенных овощей, ягод, фруктов и бахчевых,
удельная теплота сублимации г = 2891,4 кДж/кг
[31].
Удельные затраты тепловой энергии на испа-
рение влаги с 1 м2 площади противня за цикл сушки
2|у.ц=гИЛЦ’ Qy.u =2891,4 6,886 = 5,53 кВтч/м2.
Расход теплоты без потерь на испарение 1 кг
влаги: q = (?1у>ц/^=5,53/6,886 = 0,803 кВтч/кг.
Для установки СВП-68 имеем следующее.
Количество исходного высушенного продукта
за 1 рабочий цикл (8 ч) Gn =<^уд5'пр =7,68-68 =
= 522,24 кг;
Количество испаренной влаги за 1 рабочий
цикл Gw =^пр = 6,886-68 = 468,248 кг;
Количество сухого растительного продукта за
1 рабочий цикл Gc = Gn -Gw =522,24-468,248 =
= 53,992 кг.
• Расчет потерь тепловой энергии. В процессе
сушки температура растительного продукта, против-
ней и продуктовых тележек-этажерок повышается от
-25 до +55 °C (по результатам практических наблю-
дений).
Удельные потери на нагревание противней и
тележек, ккал/м2 (кВт ч/м2):
Q\ пот.уд ~ (С?пот пр + С?пот тел )/*^пр “
— ^(спр^пр ’*"стел^тел )/*$пр ’
где спр и стел - удельная теплоемкость материалов
соответственно противней и тележек, Дж/(кг-°С);
(7пр и (7тел - масса комплекта соответственно
противней и продуктовых тележек, кг; спр =
= 920 Дж/(кг-°С) - удельная теплоемкость сплава
АД1; стел =505 Дж/(кг°С) - удельная теплоем-
кость стали 12Х18Н9Т; А/= 80 °C -диапазон изме-
нения температур.
Масса 1 м2 противней £удпр =8,935 кг/м2.
Приведенная масса тележки на 1 м2 противня
&уд.тел =8,823 кг/м2.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ВАКУУМНОЙ СУБЛИМАЦИОННОЙ СУШКИ
649
21 пот.уд = 80 • (920•604,8+ 505 • 600)/б8 =
= 1011077 Дж/м2 = 0,28 кВт - ч/м2 .
Удельные потери на нагрев каркаса энергети-
ческих тележек при нагреве с 20 до 60 °C
О* пот.тел — (стел ^этел )/*$пр —
= 505-600-40/68 = 178235,3 Дж/м2 =0,05 кВт ч/м2 .
Удельные потери на нагрев плит (нагреватель-
ных панелей с площадью поверхности одной стороны
72,5 м2) с 20 до 150 °C при массе 1 м2 плит 6уд п =
= 23 кг/м2, материале АД 31, спч =920 Дж/(кг °С).
2зуд.ПЛ ~ А^СПЛ ^7пл /*^пр —
= 130-920-72,5-23/68= 2932838,1 Дж/м2 =
= 0,815 кВт ч/м2.
На подъем температуры плит до 150 °C требу-
ется Qnjl = 72,5-0,815 = 59,09 кВтч.
Удельные потери на охлаждение плит с 70 до
20 °C (сушка заканчивается при температуре плит
60... 70 °C, их необходимо охладить перед загрузкой
замороженного продукта в сушильную камеру для
того, чтобы он в период создания рабочего давления
в сушильной камере (8... 12 мин) не подтаял на про-
тивнях)
2дуд ОХЛ ~ ^пл /*$пр —
= 50-72,5-23-920=1128,46 Дж/м2 =
= 0,313 кВт-ч/м2.
Расход холода на охлаждение плит Qnyi охл =
= А/6’плспл =21,284 кВт-ч.
Суммарные удельные тепловые потери на 1 м2
противней
2пОТ уд “ 2| пот.уд + 2? пот.уд + 2з пот.уд ~
= 0,28 + 0,05 + 0,815 = 1,145 кВтч/м2.
Общие потери теплоты в течение цикла сушки
Спот =епот.удДпр =1,145-68 = 77,86 кВт-ч.
• Строится циклограмма подвода теплоты к
продукту по времени при ступенчатом уменьшении
его уровней.
На рис. 7.75 приводится циклограмма для ус-
тановки СВП-68 при длительности цикла сушки
тц =8 ч и длительности операции сушки тс = 7 ч.
Циклограмма в дальнейшем на практике кор-
ректируется с учетом определения вариаций свойств
продукта с усреднением уровней (колебание влаго-
Рис. 7.75. Циклограмма подвода теплоты
к продукту растительного происхождения
с 10%-ным содержанием сухих веществ
в установке СВП-68
содержания соли, сахара, жира и т.д.); отрабатывает-
ся оптимальная программа обеспечения стабилиза-
ции верхней экстремальной температуры на уровне
меньшем допустимой /доп . В циклограмме учитыва-
ется количество теплоты, необходимые для испаре-
ния влаги,
ft =rGw = 2891,4-468,248 = 376,01 кВтч.
Начальный удельный уровень подвода тепло-
ты к продукту принимается q\ = 1,5 кВт/м2, конеч-
ный - в диапазоне 0,1 ...0,15 кВт/м2.
Обычно величина Q* распределяется при суш-
ке пищевых продуктов на шесть-восемь ступеней;
для особо термочувствительных продуктов (препара-
тов) количество ступеней может достигать 12.
Ступенчатое регулирование уровней тепло-
подвода к продукту в процессе сублимационной
сушки при наличии данных об инерционности сис-
темы зеплоподвода является очень удобной для
практического использования, и его выполнение
обеспечивается серийно выпускающимися задатчи-
ками, работающими по программе температура -
время.
Количество теплоты, подводимое к продукту,
равно произведению удельного теплоподвода соот-
ветствующей ступени нагрева дст , кВт/м2, на рабо-
чую площадь противней установки 5 (площадь испа-
рения), м2, и время зеплоподвода к продукту на эзой
ступени тст, т е. 0СТ = qcrSTcy . Инерционность
плит (нагревателей) при этом условно не учитывает-
ся, так как в пределах циклограммы расчетная зепло-
та передается продукту полностью.
Подвод теплоты к продукту обеспечивается
при подъеме температур радиационных плит от 20 до
150 °C (qi = 1,5 кВт/м2) за 0,25 ч. За этот период
продукту излучением будет передано (см. цикло-
грамму)
(102 + 0)
Qq=-—-—-0,25 = 12,75 кВз-ч.
650
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Регулируемый теплоподвод к продукту предусмот-
рен по шести ступеням.
I) Q = 1,5 68 1,5 = 153 кВтч;
II) Q2 = 1,2-681 = 81,6 кВтч;
1П) 2з =0,8-68-1 = 54,4 кВтч;
IV) а =0,6-68-1 = 40,8 кВт-ч;
V) а =0,3-68-1 = 20,4 кВтч;
VI) & =0,13-68-1,5 = 13,26 кВт-ч;
VII) а =12,75 кВт-ч.
Итого: 376,21 кВт-ч.
Общие тепловые потери распределяются ус-
ловно равномерно на шесть ступеней теплоподвода
бпот =22,44/6 = 3,74 кВт/ступень и прибавляют-
ся к теплоподводу к продукту на каждой ступени.
Суммарная величина QB + £?пот подводится
на каждой ступени к нагревательным плитам.
• В соответствии с максимальной тепловой
нагрузкой первой ступени теплоподвода к продукту
01 подбирается тип и производительность холо-
дильного агрегата для охлаждения труб конденсато-
ра (десублиматора) установки с учетом температуры
сублимации ts = -25 °C, добавлением 10 % к вели-
чине Q (5 % на компенсацию потерь через изоля-
цию и 5 % запас на последующий износ и уменьше-
ние холодопроизводительности) и температурой
кипения хладагента на 10... 15 °C ниже ts .
Таким образом, для сублимационной сушки
большинства пищевых продуктов является достаточ-
ным подбор одноступенчатых холодильных агрега-
тов с применением хладона R22 и двухступенчатых -
с хладоном R717. По данным термограммы разраба-
тывается система регулирования холодопроизводи-
тельности холодильного (или нескольких) агрегата и
система его ручного и автоматического управления.
Для замораживания продуктов перед сушкой
обычно применяются скороморозильные камеры с
подвесными путями. В зависимости от конструкции
камер расход холода на замораживание 1 кг расти-
тельных продуктов до температуры -25 °C не пре-
вышает 418,68...460,548 кДж/кг. При последователь-
ном вводе продукта в камеру на тележках (в установ-
ке СВП-68 три тележки, масса продукта на каждой
l/3Gn = 522,24:3 = 174,08 кг) нагрузки на холо-
дильную систему выравниваются, необходимая хо-
лодопроизводительность воздухоохладителей может
быть выбрана оптимальной. Для замораживания всей
партии продукта одновременно в течение 1 ч потре-
буется следующее количество холода 23 =Gn х
х460,548 кДж/кг =522,24-460,548= 66,8 кВт/ч.
• Выполняется расчет площади поверхности
десублиматора установки при температуре кипения
хладагента внутри его внутреннего объема Tq =
= -38...-40 °C (для рассматриваемого варианта
установки, сушка пищевых продуктов).
Количество теплоты, кДж/ч, воспринимаемой
конденсатором, определяется соотношениями
ft = kF\t,
где к - коэффициент теплопередачи от конденси-
рующихся паров к хладатенту в кДж/(м2-ч-°С), F -
площадь поверхности конденсатора, м2; А/ - раз-
ность температур между конденсирующимися пара-
ми и хладагентом в °C.
Льдоемкость конденсатора, равномерность
распределения льда на его поверхности и эффектив-
ность ее работы определяются конструктивными
особенностями конденсатора. В больших промыш-
ленных сублимационных установках нашли приме-
нение прямоточно-трубчатые, плиточные и спираль-
ные трубчатые конденсаторы (десублиматоры). По-
следние, как правило, устанавливаются в корпусах
выносных конденсаторов и имеют ограниченное
применение. Существует большое количество мето-
дов расчета десублиматора, учитывающих формиро-
вание профиля слоя льда на охлаждаемых поверхно-
стях в зависимости от интенсивности сушки (влаго-
выделений из продукта) и давлений паров в рабочем
аппарате. Расчет по этим методикам сложен, громоз-
док, содержит много эмпирических коэффициентов.
По этим причинам, в инженерных расчетах можно
ограничиться вышеуказанной зависимостью для QK .
Панельные (плиточные) десублиматоры рас-
считываются по методике, изложенной в [33], а
трубчатые - в [32].
Для сублимационных установок, предназна-
ченных для сушки пищевых продуктов в промыш-
ленных условиях при температуре 7q =-38...-40 °C,
обычно соотношение поверхностей десублиматора
5Д к поверхности противней 5пр (поверхности
испарения) принимается кд = 5д/5пр =1 •
г>го соотношение обеспечивает, как правило,
при рекомендованных в [32, 33] зазорах между охла-
ждаемых элементов десублимагора удовлетвори-
тельную работу вакуумных насосов (без попадания в
них водяных паров в количестве, нарушающем за-
данный диапазон рабочих давлений в сушильной
камере) в процессе выполнения циклов сушки и соз-
дания рабочего давления. После регенерации поверх-
ности десублимации (сброса или оггайки льда) в
сушильной камере или в отдельно расположенном
корпусе десублиматора частично остается влага, кото-
рая при создании рабочего давления и переходе трой-
ной точки для воды (давление 610 Па (4,58 мм рт. ст.))
самозамораживается с переходом до 20 % ее количе-
ства в газовую фазу. Указанное соотношение кд =1
позволяет большую часть паров осадить на десубли-
маторе и обеспечить заданное время создания рабо-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ВАКУУМНОЙ СУБЛИМАЦИОННОЙ СУШКИ
651
чего давления. В установках для сушки лекарствен-
ных препаратов и биологического сырья в десубли-
маторах применяют температуру кипения хладонов
То = -50...-80 °C применяется = 0,9...0,8.
• Выполняется подбор вакуумных агрегатов
для отсоса неконденсирующихся паров. В установ-
ках для сушки лекарственных препаратов, как прави-
ло, применяют двухступенчатые масляные роторные
механические вакуумные агрегаты, обеспечивающие
рабочие давления в требуемом диапазоне 2,67... 12 Па
(0,02...0,09 мм рт. ст.). В установках для сушки пи-
щевых продуктов применяют как двухступенчатые
масляные роторные механические вакуумные агрега-
ты, так и агрегаты безмасляные, последовательно
работающие в сцепке двухроторные агрегаты и во-
докольцевой насос с газовым эжектором. Безмасля-
ные вакуумные системы откачки являются более
дорогостоящими и расходуют больше электроэнер-
гии (в 2.. 2,5 раза), но их применение является эко-
номически обоснованным: не требуется замена доро-
гостоящего вакуумного масла, которое легко обвод-
няется и теряет рабочие характеристики; принима-
ются и конденсируются (в допустимых объемах)
прорывающиеся через десублиматор водяные пары;
пищевые продукты самозамораживаются перед суш-
кой непосредственно в сушильной камере.
Теоретически необходимое время для создания
заданного рабочего давления в сушильной камере
определяется по формуле (без учета в нее натеканий
и газовыделений из продукта)
,._L2.3ieaz».
8. Рп - Рп
где V - объем системы, л; Вд - действительная
скорость откачки насосом; - атмосферное давле-
ние, Па (мм рт. ст.); рг - заданное конечное давление
в сушильной камере, Па (мм рт. ст.); р0 - предельное
давление, достигаемое насосом, Па (мм рт. ст.).
В процессе сушки неконденсирующиеся газы
выделяются из продукта; их количество в различных
продуктах до подготовки и после нее к сушке пока
не изучено.
В водном льде, замороженном в атмосферных
условиях, находится 1,9 % воздуха от его объема.
Для практических расчетов количество воздуха в
пищевых продуктах пока условно принимается 2,5 %
занимаемого ими объема. По нормам, принятым в
вакуумном машиностроении, допустимая скорость
нетекания в камеру 0,133 л-Па/с (МО-3 л мм рт.ст./с)
на 1 м3 объема камеры. При внутреннем объеме ка-
меры установки СВП-68 V «21 м3 (диаметр
2470 мм, длина 4400 мм) и рабочем давлении до
40 Па (0,3 мм рт.ст.) скорость натекания должна быть
не более: Г| = 0,1333 • 21/40 = 0,07 л/с.
• В расчетах по подбору вакуумных агрега-
тов учитывается проводимость (л/с) вакуум проводов
и арматуры линий от агрегатов до камеры по форму-
ле:
V US*
эф U + SH
где 5дф - быстрота откачки, л/с, Лн - суммарная
производительность вакуумных агрегатов; л/с; U -
проводимость вакуумпроводов, л/с.
Методика полного расчета проводимости эле-
ментов систем изложена в [34, 35]. Для исключения
потерь в вакуумпроводах вакуумные агрегаты обыч-
но располагают в непосредственной близости
(0,5... 1 м) от сушильных камер и диаметр соедини-
тельного вакуумпровода выбирается до 1,5 раз
больше диаметра входного патрубка вакуумных
агрегатов. В этом случае длительность вакууми-
рования камеры рассчитывается по формуле без
учета величин проводимости 5^ .
Применительно к установке СВП-68 получаем
исходные данные для подбора вакуумных агрегатов.
Принимаем: =99,9915 кПа (750 мм рт. ст.);
Р2 = 40 Па (0,3 мм рт. ст.); р0 = 1,33322 Па (0,01 мм
рт. ст.); Г = 19000 л; т = 9 мин (540 с).
D 19000 750-0,01
Ва =------2,31g----------=
л 540 0,3-0,1
= 35,185-2,31g2586,1724 = 276,16 л/с.
Таким образом, для создания рабочего давле-
ния могут быть предусмотрены два вакуумных агре-
гата с производительностью по 150 л/с каждый. Для
выполнения операции сушки вакуумные агрегаты
подбираются по расчетным данным количества не-
конденсирующихся газов в первый период сушки
при максимальном теплоподводе к продукту.
Скорость натекания неконденсирующихся га-
зов от продуктов определяется по формуле
инг =0,025——,
где Q - максимальный теплоподвод к продукту;
г - удельная теплота сублимации льда при темпера-
туре ts = -25 °C; г = 2891,4 кДж/кг (690,6 ккал/кг).
Тогда
_ 102 99991,5 _ _ ,
v„ г = 0,025-------------= 2,2 л/с.
2891,4 40
Без учета натеканий в камеру и прохода неко-
торой части молекулярных паров влаги через десуб-
лиматор требуемая производительность вакуумных
насосов для отсоса только неконденсирующихся
652
Глава 7. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
газов из продукта имеет малую величину. В действи-
тельных условиях часть влаги проходит через десуб-
лиматор в вакуумные насосы. Методика расчета
десублиматоров, по которой можно было бы учесть
ее при выборе вакуумных агрегатов, полностью не
отработана.
Поэтому при разработке вакуумных систем
для сублимационных установок подбирают масля-
ные вакуумные агрегаты, обеспечивающие процесс
сушки, с увеличенной, в сравнении с расчетной,
производительностью в 10—15 раз и дополнительно к
ним ставят дублирующие вакуумные агрегаты иден-
тичной производительности.
В случае применения безмасляных систем от-
качки неконденсирующихся газов, дублирующие
агрегаты не предусматриваются.
Следует отметить, что существующие
расчетные зависимости, реально отражающие
происходящие в промышленных установках
тепломассообменные процессы, неизбежно
содержат эмпирические коэффициенты. По
этой причине, сегодня проектирование су-
шильного оборудования должно опираться, в
том числе, на накопленный опыт и практиче-
ские знания. Предлагаемая методика расчета
является в данном случае источником базовой
информации, уточняемой применительно к
каждому конкретному варианту.
На предприятиях средней и большой
производительности для выпуска пищевых
продуктов повсеместно из единичных субли-
мационных установок компонуются сушиль-
ные комплексы, состоящие из 2-15 установок,
работающих по совмещенному во времени
циклу. За рубежом для средних предприятий
комплексы комплектуются установками с
площадью противней 45... 100 м2 в одном блоке
сушки, для крупных предприятий - с площа-
дью противней 100...225 м2 в каждом сушиль-
ном блоке. Самый крупный отечественный
комплекс УСС-5 (Детчинский филиал АОО
«Русский продукт») состоит из трех установок
с рабочей площадью противней по 133 м2 каж-
дый.
Все сушилки комплексов имеют общую
вакуумную, холодильную, теплоподводящую
системы, морозильные туннельные камеры для
замораживания продуктов, воздухоохладители
которых работают от холодильной компрес-
сорной станции сушильного комплекса. Это
позволяет наиболее полно загрузить установ-
ленные мощности систем и обеспечить незна-
чительное колебание тепловых нагрузок в про-
цессе сушки, снизить удельную стоимость 1 м2
противня сублимационного сушильного ком-
плекса на 20...40 %, удельные трудозатраты и
на 25...30 %, себестоимость производства суб-
лимированных продуктов. Суточная произво-
дительность сушильных сублимационных ком-
плексов обычно находится в диапазоне произ-
водительности от 10 до 50 т/сутки по исходно-
му сырью.
СПИСОК ЛИТЕРА ГУ РЫ
1. Кавецкий Г.Д., Васильев Б.В. Про-
цессы и аппараты пищевой технологии. М.:
Колос, 1997.
2. Золотин Ю.П. Стерилизованное моло-
ко. М.: Пищевая промышленность, 1979. 158 с.
3. Технологическое оборудование пред-
приятий молочной промышленности / В.Д.
Сурков и др. М.: Легкая и пищевая промыш-
ленность, 1983. 432 с.
4. Карпов В.И. Технологическое обору-
дование рыбообрабатывающих предприятий.
М.: Колос, 1993.304 с.
5. Барановский Н.В, Коваленко Л.М.,
Ястребенецкий А.Р. Пластинчатые и спираль-
ные теплообменники. М.: Машиностроение,
1973.283 с.
6. Справочник по технологическому
оборудованию рыбообрабатывающих произ-
водств // Под ред. А.А. Романова. М.: Пищевая
промышленность, Г. 1, 2. 1979.
7. Лунин О.Г., Вельтищев В.Н. Тепло-
обменные аппараты пищевых производств. М.:
Агропромиздат, 1987. 239 с.
8. Николаев Б.Л. Полуэмпирическая ме-
тодика определения коэффициента теплоотда-
чи и градиента скорости в аппаратах со скреб-
ковыми перемешивающими устройствами И
Теоретические, экспериментальные исследова-
ния процессов, машин, агрегатов, автоматиза-
ции, управления и экономики пищевой техно-
логии. СПб: СПбТИХП. 1994. С. 7-11.
9. Николаев Л.К., Листовский Р.Р. Теп-
лообменные аппараты бродильной промыш-
ленности. М.: Пищевая промышленность, 1973.
168 с.
10. Николаев Л.К. Математическая мо-
дель теплообмена при обработке вязких про-
дуктов в поточных аппаратах с очищаемой
поверхностью И Интенсификация процессов и
оборудования пищевых производств. Л.: ЛГИ
им. Ленсовета, 1981. С. 23-31.
11. Маклюков И.И., Маклюков В.И.
Промышленные печи хлебопекарного и конди-
терского производства. М.: Легкая и пищевая
промышленность, 1983. 272 с.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
653
12. Исаченко В.П., Осипова В.А., Су-
комел А.С. Теплопередача. М.: Энергия, 1981.
416 с.
13. Лисовенко А.Т. Процесс выпечки и
тепловые режимы в современных хлебопекар-
ных печах. М.: Пищевая промышленность,
1976.214 с.
14. Голянд М.М., Малеванный Б.Н.
Холодильное технологическое оборудование.
М.: Пищевая пром-сть, 1977. 336 с.
15. Ионов А.Г. Судовые рефрижератор-
ные установки. М.: Колос, 1993. 351 с.
16. Иоффе Д.М. Аэродинамическое со-
противление трубчатых теплообменников с
пластинчатыми ребрами И Холодильная техни-
ка. 1973, №2. С. 21-23.
17. Калнинь И.М. Анализ эффективно-
сти основной теплообменной аппаратуры в
составе комплексной холодильной машины И
Холодильная техника. 1982, № 11. С. 25-32.
18. Лашутина Н.Г., Суедов В.П., По-
лушкин В.И. Холодильно-компрессорные
машины и установки. М.:.Колос, 1994. 431 с.
19. Рогов И.А., Бабакин Б.С., Выгодин
В.Л. Электрофизические методы в холодиль-
ной технике и технологии. М.: Колос, 1996.
336 с.
20. Теплообменные аппараты, приборы
автоматизации и испытания холодильных ма-
шин / Под ред. А.В. Быкова. М.: Легкая и пи-
щевая пром-сть, 1984. 278 с.
21. Броунштейн Б.И., Щеголев В.В.
Гидродинамика, массо-, теплообмен в колон-
ных аппаратах. М.: Химия, 1988. 336 с.
22. Кошевой Е.П. Технологическое обо-
рудование предприятий производства расти-
тельных масел. СПб.: ГИОРД, 2001. 368 с.
23. Лысянский В.М., Гребенюк С.М.
Экстрагирование в пищевой промышленности.
М.: Агропромиздат, 1987. 188 с.
24. Временные нормы технологического
проектирования свеклосахарных заводов. М.:
Гипросахпром, 1977. 166 с.
25. Тарасов С.Г. К расчету вертикаль-
ных преддефекаторов / Совершенствование
процессов пищевой промышленности. Техно-
логия и процессы пищевых производств. Ч. 2.
Краснодар: Изд.КубГТУ, 1997. С. 44-47.
26. Тарасов С.Г. К расчету горизонталь-
ных преддефекаторов И Изв. вузов. Пищевая
технология. 1996. № 3-4. С. 59 - 61.
27. Тарасов С.Г. Расчет сатураторов //
Изв. вузов. Пищевая технология. 1998. № 1.
С. 51-53.
28. Кавецкий Г.Д., Королев А.В. Про-
цессы и аппараты пищевых производств. М.:
Агропромиздат, 1991. 432 с.
29. Азрилевич М.Я. Оборудование са-
харных заводов. М.: Легкая и пищевая про-
мышленность, 1982. 392 с.
30. Бредихин С.А., Космодемьянский
Ю.В., Юрин В.Н. Технология и техника пере-
работки молока. М.: Колос, 2001.400 с.
31. Гуйго Э.И., Журавская Н.К., Каух-
чешвили Э.И. Сублимационная сушка в пи-
щевой промышленности. М.: Пищевая про-
мышленность, 1972.
32. Камовников Б.П., Малков Л.С.,
Воскобойников В.А. Вакуум-сублимационная
сушка пищевых продуктов. М.: Агропромиз-
дат, 1985.
33. Волынец А.З. Сублимация. М.:
МИХМ, 1987.
34. Вакуумная техника / Под ред. Е.С.
Орлова, В.Е. Михайчева. М.: Машиностроение,
1985.
35. Пипко А.И. и др. Основы вакуумной
техники. М.: Энергоиздат, 1981.
36. Технологическое оборудование мя-
сокомбинатов / Под ред. С.А. Бредихина. М.:
Колос, 2000. 392 с.
Глава 8
ОБОРУДОВАНИЕ
ДЛЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ
ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Диапазон частот электромагнитных коле-
баний, применяемых для физической обработ-
ки пищевых продуктов, чрезвычайно широк: от
инфразвукового (ниже 20 Гц) до гамма-излу-
чения (около 31016 МГц). Природа возникно-
вения электромагнитных излучений различна и
зависит от диапазона их частот: гамма-лучи
возникают в результате распада некоторых
радиоактивных изотопов; рентгеновские - при
торможении быстрых электронов, вылетающих
из катода, в веществе антикатода рентгенов-
ских трубок; источниками ультрафиолетового
излучения являются солнечный свет, высоко-
температурная плазма, ускоренные электроны
и др.
Электромагнитное оборудование подраз-
деляют в зависимости от применяемой в нем
частоты колебаний V и длины волн X. Клас-
сификация этого оборудования представлена в
табл. 8.1. Следует отметить, что границы меж-
ду различными видами электромагнитных волн
условные.
654 Глава 8. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ
8.1. Классификация оборудования для электрофизической обработки пищевых продуктов
в зависимости от длины X и частоты V волн
Излучение Космическое (X = 10 ,6...1О 14 м) Радиационное оборудование (X < 3.8 10 7 м) ик- оборудование (Х= 10’3... 3,8-10’7 м) СВЧ- оборудование (v= I02... 105МГц) В Ч-оборудование (v = 400 Гц...102 МГц) НЧ-оборудование (v < 400 Гц)
Видимый свет Область ИК- излучения Ультракороткие волны Радиоволны Звуковые волны
Гамма (Х= 10'14...0,5-10'" м) Гамма и рентгеновское Рентгеновское (X = 10 И...1О 9 м) Рентгеновское и ультрафиолетовое Ультрафиолетовое (X = 10 8...3,8-10 7 м) | Близкое ИК (X = 7,7-10’7... 1,5-10-6 м) Среднее ИК Далекое ИК (X = 5,6-10-6... 10 3 м) Микроволны (X = 10 3...10 2 м) Сантиметровые (X = 10 2...10 1 м) Дециметровые (X = 0,1... 1 м) I Метровые (X = 1 ...10м) Короткие волны Промежуточные (X = 50...200 м) Средние (X = 200...3000 м) Дальние (X = (3...20)-103 м) Слышимые звуковые (v = 20...2-104 Гц) Инфразвуковые (v < 20 Гц)
Частота v, 3 • 10" МГц
л = 17 15 13 И 9 7 5 3 1 -1 -3 -5 -7
У = -15 -13 -11 -9 -7 -5 -3 -1 1 3 5 7 9
Длина волны X, м
8.1. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
СЫРЬЯ И ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
Пищевые продукты с точки зрения пове-
дения их в электромагнитном поле представ-
ляют собой гетерогенные смеси, содержащие
воду [2]. Такие компоненты пищевых продук-
тов, как белки, жиры, углеводы и вода можно
отнести к разряду диэлектриков, а водные рас-
творы солей (электролиты) - к разряду про-
водников. Диэлектрические свойства материа-
ла могут быть описаны с помощью комплекс-
ной диэлектрической проницаемости
Действительная часть е - диэлектриче-
ская проницаемость прямо влияет на количест-
во энергии, которая может быть запасена в
материале в форме электрического поля. Мни-
мая часть е" - фактор потерь является мерой
того, сколько энергии материал может рассеять
в виде теплоты. Поскольку диэлектрические
потери на практике нельзя отделить от потерь
проводимости, их обычно характеризуют дей-
ствующим (эффективным) коэффициентом
потерь
1 . п
8 = е -je .
4|> =e'[tg6+o/(2n/e'e0)],
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СЫРЬЯ И ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
655
где а - удельная электропроводность, См/м;
f - частота, Гц; Бд - электрическая постоян-
ная, Ф/м.
Тангенс угла диэлектрических потерь
tg5 = e7ef определяет отношение энергии,
расходуемой на нагрев, к энергии, запасенной
за период электромагнитных колебаний.
Все диэлектрические явления могут быть
отнесены прямо к поляризации материала под
влиянием внешнего приложенного электриче-
ского поля.
Мощность, поглощаемая единицей объе-
ма диэлектрического материала, Вт/м3,
Ру =5,56-10_7/Е2е;ф,
где Е - напряженность электрического поля
внутри материала, В/м; f - частота, Гц; е^ф -
эффективный фактор потерь (коэффициент
потерь).
8.1.1. ОСОБЕННОСТИ МИКРОВОЛНОВОЙ
ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
Для микроволнового и высокочастотного
нагрева используются в основном частоты
области / (рис. 8.1) [3]. Основные частоты,
выделенные для промышленного использова-
ния, следующие: 2,45 ГГц; 915 МГц; 896 МГц;
433,9 МГц; 27,12 МГц; 13,56 МГц.
Диэлектрические свойства продукта -
эффективные диэлектрические потери и ди-
электрическая проницаемость являются важ-
нейшими исходными данными для разработки
микроволнового технологического процесса и
конструирования установки. Знание этих
свойств и их динамики в ходе процесса позво-
ляют:
теоретически разработать аспекты объ-
емного нагрева, рассчитать оптимальную гео-
метрию продукта, вид процесса (периодиче-
ский, непрерывный), тип рабочей камеры: бе-
гущей волны, многомодовой, резонансной
одиночной волны, камер специальных струк-
тур (15 видов);
рассчитать рабочую частоту электромаг-
нитных колебаний, напряженность электриче-
ского поля, параметры вакуумных процессов,
степень согласования (в простейшем случае)
нагруженной рабочей камеры с генератором;
спроектировать качество готового про-
дукта и определить экономические показатели
технологического процесса.
I
/ 1 1 1 1 1 1 1 ш 1 1 1 1 \ 1 1 L_j | | I 1
1см 10 см 1м 10 м 100 м Длина
- L 1111 волны
310ю ЗЮ9 ЗЮв З Ю1 3 10е г,МГц
Рис. 8.1. Частоты микроволнового
и высокочастотного нагрева /:
11- микроволны; ///-радиочастоты;
IV- миллиметровые волны
Поскольку диэлектрические свойства
пищевых продуктов зависят от различных фак-
торов и существенно изменяются в ходе мик-
роволнового процесса, микроволновые уста-
новки следует конструировать для конкретных
технологических процессов, а не приспосабли-
вать эти процессы к определенным микровол-
новым установкам.
8.1.2. ВЛИЯНИЕ СОСТАВА ПРОДУКТА
Диэлектрические свойства пищевых про-
дуктов зависят от их состава, в частности, от
содержания в них воды и электролитов. Вода
полярна по своей структуре и поэтому легко
абсорбирует микроволновую энергию и преоб-
разует ее в теплоту. В составе других компо-
нентов воду называют абсорбированной. Во
влажных продуктах вода может существовать в
двух основных состояниях:
в свободном, при котором вода находится
в капиллярах, полостях и т.д.;
в связанном, при котором вода химически
связана с другими компонентами или физиче-
ски абсорбирована поверхностью сухого про-
дукта.
Свободная вода имеет намного более вы-
сокие диэлектрические характеристики чем
связанная.
Абсорбция микроволновой энергии пи-
щевыми продуктами существенно зависит от
присутствия в них компонент со свободными
носителями электрических зарядов, таких как
солевые растворы.
На рис. 8.2 представлены зависимости е
п
и еэф различных пищевых продуктов от со-
держания воды IV при температуре 20 °C на
частоте 2800 МГц [3].
656 Глава 8. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Рис. 8.2. Зависимости между содержанием воды W
(влажности) и диэлектрическими
характеристиками г и 8^, при температуре
20 °C и частоте 2,8 ГГц
(точки для соленых материалов окружены):
1 - вареная свиная печень; 2 - вареный соленый
окорок; 3 - сырая свинина; 4 - вареная говядина;
5 - сырая говядина; 6 - соленый сырой окорок
(жирный, постный); 7- сырая говядина;
8 - сырая свинина; 9 - вареная треска;
10- картофельное пюре; 11 - горох; 72- суп;
13 - соус; 14 - вареная морковь; 15 - бульон; 16 - вода
Величина 8 почти линейно возрастает
при увеличении содержания воды JT от 60 до
90 %. Для величины е"ф не обнаруживается
четкой корреляции с содержанием влаги JT в
пищевых продуктах с высоким ее содержани-
ем. Большие различия в диэлектрических свой-
ствах различных пищевых проектов наглядно
видны из табл. 8.2, полученной по данным
измерений на частоте v = 900... 1000 МГц при
20 °C [1].
Поскольку во многих рабочих камерах в
ходе осуществления микроволновых процессов
происходит заметное удаление влаги с обраба-
тываемого материала, вариация комплексной
диэлектрической проницаемости и, в частности
8*ф, в зависимости от содержания влаги имеет
большое значение в конструировании микро-
волновых нагревательных и сушильных уста-
новок. Для многих пищевых продуктов полу-
чены такие зависимости, а результаты интер-
претированы в таком виде, что могут быть
использованы непосредственно при конструи-
ровании микроволновых рабочих камер [1-3].
8.2. Значения коэффициента потерь 8*ф от
состава продукта при температуре t = 20 °C
и частоте v = 900...1000 МГц
Температурная зависимость. На рис.
8.3 показано влияние температуры t на вели-
чины г и 8дф различных пищевых продуктов
[3]. Обе эти величины резко возрастают в тем-
пературной области размораживания субстан-
ций (плавление льда), затем наблюдается по-
степенное снижение значений Е и 8*ф с рос-
том температуры t у всех продуктов, кроме
соленых (у последних 8*ф продолжает расти).
У воды 8*ф существенно зависит от темпера-
туры, и при высоких температурах tg3 стано-
вится очень малым. При данной частоте
уменьшение диэлектрических потерь с повы-
шением температуры уравновешивается рос-
том потерь проводимости, характерным для
многих влагосодержащих продуктов, что обу-
словливает слабую температурную зависи-
мость суммарных потерь вплоть до 140 °C.
Однако на частотах ниже 1000 МГц потери
проводимости обычно становятся домини-
рующими и быстр возрастают с температурой.
Эффект неконтролируемого повышения
температуры [3]. Большое значение для при-
менения микроволнового нагрева имеет некон-
тролируемое повышение температуры в мате-
риале, возникающее как результат положи-
тельного наклона, б/8*ф /dt ч отклика 8*ф на
повышение температуры. После начальной
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СЫРЬЯ И ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
657
абсорбции микроволновой энергии, повыше-
ние температуры вызывает увеличение 8^,
которое, в свою очередь, является причиной
дальнейшего повышения температуры и т.д.
Пищевые продукты имеют положитель-
ный наклон кривой зависимости 8*ф от тем-
пературы около точки замерзания воды, что
является причиной многих трудностей, возни-
кающих при микроволновой дефростации. Как
только появляются капли воды, микроволновая
энергия преимущественно затухает в жидкой
фазе, вызывая неравномерное опаивание с
эффектом порчи. Чтобы воспрепятствовать
этому, пищевые продукты с высоким содержа-
нием влаги опаивают до температуры около
-2 °C - процесс темперирования.
Влияние характеристик рабочих камер
на эффект неконтролируемого повышения
температуры. Техника конструирования сис-
тем микроволнового нагрева может внести
вклад в устранение риска термического некон-
тролируемого повышения температуры, вызы-
ваемого положительным значением [dt.
Скорость подъема температуры в элементе
объема пропорциональна вкладу в него тепло-
ты 8*ф£2/, но теплота отводится от этого
элемента со скоростью, пропорциональной
2
oczV /. где otz является термической диффу-
зией. Равновесная температура устанавливает-
ся, когда 8эФЕ2 f становится равным скоро-
сти тепловых потерь.
Мультимодовые печные рабочие камеры
могут порождать термическое неконтролируе-
мое повышение температуры из-за присущих
им стоячих волн. Эти камеры используются
обычно для обработки дискретных объектов
больших размеров, которые порождаю! иска-
жение поля, ведущее к неравномерному нагре-
ву. Множество мод повышает абсорбцию энер-
гии в локальных объемах продукта, приводя-
щую к образованию горячих пятен и ускоре-
нию термического неконтролируемого повы-
шения температуры.
Микроволновый нагрев тестовых продук-
тов может дать наглядное представление о
перегреве продукта в локальных местах, после
чего скорость неконтролируемого нагрева в
этих местах еще более усиливается. В объемах
горячих пятен продукт может обугливаться и
Рис. 8.3. Диэлектрические свойства г и 8^ф
различных пищевых продуктов как функция
температуры t при частоте 2,8 ГГц:
/ - дистиллированная вода; 2 - вареная морковь;
3 - картофельное пюре; 4 - сырая говядина;
5 - вареный окорок; 6 - вареная говядина;
7 - кукурузное масло
приобретать магнитный фактор потерь, кото-
рый увеличивает значение 8*ф.
Рабочие камеры непрерывного действия
(например, меандровые, коаксиального движе-
ния, рупорные) в меньшей степени способны
вызывать термическое неконтролируемое по-
вышение температуры, так как электрическое
поле в них лучше контролируется, чем в муль-
тимодовых рабочих камерах. Гак, масло хоро-
шо оттаивается (-15...+4 °C) в рабочих каме-
рах, контролирующих поле, рупорного типа
при частоте 900 МГц [3].
Данные о земпературной зависимости
диэлектрических свойств пищевых продуктов
более широко представлены в работе [2].
658 Глава 8. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Частотная зависимость. Промышленное
использование микроволн требует применения
дискретных частот, тщательно выбранных так,
чтобы они не интерферировали с другими час-
тотами, используемыми в телекоммуникациях,
судоходстве и др. Принципиальная частотная
зависимость комплексной диэлектрической
проницаемости типичного полярного диэлек-
трика представлена на рис. 8.4.
Рис. 8.4. Принципиальная частотная зависимость
комплексной диэлектрической проницаемости
типичного полярного диэлектрика
Диэлектрические свойства воды в объеме
не имеют сколько-нибудь исключительного
значения в промышленном микроволновом
нагреве, так как в большинстве применений
релаксация связанной воды имеет намного
большее значение [3]. Тем не менее важно
кратко описать диэлектрическую релаксацию в
воде и водных растворах NaCl, поскольку они
ясно показывают эффекты проводимости в
области низких значений частот, выделенных
для промышленного нагрева (рис. 8.5).
Пик значений 8*ф зависит от температу-
ры и лежит примерно между частотами 9 < f <
< 30 ГГц в интервале температур 0 < 1 < 50 °C
для чистой воды. Влияние солей проявляется,
когда эффективный фактор потерь достигает.
8^=100 при частоте 900 МГц для раствора
0,3 моль/л. Температурная зависимость 8 и
8эф чистой воды показана на рис. 8.5 вблизи
двух частот, наиболее часто используемых в
микроволновом нагреве [3]. С повышением
температуры 8*ф понижается, обеспечивая
таким образом стабилизирующее воздействие
на скорость нагрева.
Рис. 8.5. Температурная и частотная зависимости чистой воды (-) и водных растворов NaCl (-):
х-/= 5 °C; о-/ = 25 °C; А-/=55 °C
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СЫРЬЯ И ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
659
Рис. 8.6. Частотная зависимость дипольных
п п
потерь 8Д , потерь проводимости 8пр и общего
п ft я
фактора потерь 8^ =8Д +8пр
для 0,5 молярного водного раствора NaCl
при различной температуре:
t ft п
~ ед ’ ” епр ’ ” еэф
Добавление солей приводит к противопо-
ложному эффекту и увеличивает вероятность
неконтролируемого повышения температуры
нагрева. На рис. 8.6 показана частотная зави-
симость вкладов дипольных потерь и потерь
проводимости в общий эффективный фактор
потерь [2].
Совместное влияние нескольких фак-
торов. Из формулы для мощности, выделяемой
в единице объема Ру, следует, что эта мощ-
ность при неизмененной напряженности поля
Е пропорциональна произведению частоты на
коэффициент потерь: Ру /Е2 ~./Бэф • На Рис-
8.7 построены частотные зависимости произ-
г *
Рис. 8.7. Произведение у £эф в функции частоты
f для различных материалов:
/ - 0,5 моль/л раствора NaCl, при t = 25 °C;
2-0,1 моль/л раствора NaCl, при t = 25 °C;
3 - мясо при t = 25 °C; 4 - чистая вода при t = 95 °C;
5 - чистая вода при t = 25 °C
ведения /8эф для воды, водных растворов
поваренной соли и мяса. Максимум кривых
поглощаемой мощности лежит вблизи /' = 104
МГц [1]. На более низких частотах потери про-
водимости начинают преобладать над диэлек-
трическими, что хорошо видно из сравнения
кривых для воды 7, 5 и водных растворов по-
варенной соли 7, 2.
В табл. 8.3 представлены данные, харак-
теризующие совместное влияние частоты f и
температуры t на коэффициент диэлектриче-
ских потерь сырого мяса и относительную вы-
деляемую мощность Ру /е2 [1].
8.3. Влияние частоты f и температуры t на коэффициент диэлектрических потерь 8*ф,
глубину проникновения d и выделяемую мощность для сырого мяса
/МГц п 8 эф d
-10 °C + 10 °C -10 °C + 10 °C -10 °C + 10°С
10 15 800 12,5 1 6,02 1
100 3 97 2,5 0,4 0,01 1,2
1000 1.3 22 0,5 0,1 0,16 2,8
2800 1,3 17 0,5 0,04 0,45 6,0
660 Глава 8. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Повышение частоты вызывает уменьше-
ние как е/ , так и 8^ф, но несмотря на это с
ростом частоты f быстро возрастает относи-
тельная выделяемая мощность (при постоян-
ной напряженности поля Е ). Это объясняется
тем, что при повышении частоты выделение
той же самой мощности требует меньшей на-
пряженности поля. Таким образом, существует
ряд способов воздействия на процесс нагрева,
например, соответствующий выбор частоты,
температурного диапазона и управления соста-
вом обрабатываемого пищевого продукта.
Глубина проникновения энергии.
Электромагнитная волна, падающая на по-
верхность обрабатываемого продукта, затухает
в толще продукта по экспоненциальному зако-
ну вследствие поглощения энергии, сопровож-
дающегося выделением теплоты. Тогда напря-
женность поля Е и мощность Р записывают-
ся в виде:
£ = £ое_<х; Р = Р0е~2а,
где Eq и Pq - соответственно напряженность
поля и мощность на поверхности продукта.
Постоянная затухания,
-1
1/2
(8.1)
где Лф - длина волны в свободном простран-
стве.
Глубина проникновения, определяемая
как расстояние от поверхности, на котором
мощность падающей волны становится в е раз
1
меньше, чем на поверхности, равна ---. Для
2а
материалов с относительно малыми диэлек-
трическими потерями глубина проникновения
приблизительно может быть получена по фор-
муле
I
d=-------=?----. (8.2)
2ла/е tgS^
В табл. 8.3 значения глубины проникно-
вения d (для сырого мяса) в функции частоты
f и температуры t выражены в относитель-
ных единицах. Глубина проникновения для
мороженого мяса во много раз больше, чем для
оттаявшего, и в обоих случаях быстро умень-
шается с увеличением частоты. При фиксиро-
ванной частоте зависимость между глубиной
проникновения, температурой и диэлектриче-
скими свойствами можно отобразить диаграм-
мой, например, построенной для вареной трес-
ки / и воды 2 при частоте 2450 МГц (рис. 8.8)
[1].
На рис. 8.9 две частоты / (915 МГц) и 2
(2450 МГц) сравниваются с точки зрения глу-
бины проникновения для воды (а), вареного
мяса (б) и соуса (в) при различных температу-
рах [I].
Из-за различий в изменениях диэлектри-
ческих свойств с температурой и составом
исследуемых продуктов на меньшей частоте не
наблюдается четко выраженного увеличения
глубины проникновения для всех продуктов.
Кривые, полученные для соуса, который со-
держит довольно много соли, при температуре
около 40 °C даже пересекаются, а при более
высоких температурах глубина проникновения
d на частоте f = 2450 МГц становится выше,
чем на частоте / = 915 МГц.
Рис. 8.8. Зависимости глубины проникновения d
(глубина, на которой падающая мощность
уменьшается в е раз) плоской волны, падающей
на плоскую поверхность при частоте 2450 МГц
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СЫРЬЯ И ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
661
а) б) в)
Рис. 8.9. Зависимости глубины проникновения d (в логарифмическом масштабе) от 1емпературы t и
частоты f для воды, вареного мяса и соуса
8.4. Физические свойства некоторых пищевых продуктов
при температурах выше и ниже точки замерзания
Продукт ср, кДж/(кг °С) г, кДж/кг Лп, Вт/(м °С)
>о°с -20 °C >о°с -20 °C
Вода 4,2 2,2 334 0.61 2,4
Горох 3,3 1,8 215 0.55 -
Мясо 3,2 2,4 232 0.45 1,3
Треска 3,6 2,5 277 0.50 1,5
Бекон 2,1 1,3 67 0,33 1,0
Оливковое масло 2,0 1,7 - 0,17 0,18
Прочие факторы. Результирующее по-
вышение температуры нагреваемого продукта
зависит также от его плотности р и удельной
теплоемкости ср, которые изменяются с изме-
нением температуры и состава продукта.
Плотность влагосодержащих продуктов в пер-
вую очередь определяется содержанием в них
воды. При размораживании и сушке продуктов
значение имеют скрытая теплота плавления г
и скрытая теплота парообразования, так как
плавление льда или жира и испарение воды
требуют большой затраты энергии. В табл. 8.4
приведены физические свойства некоторых
продуктов при температурах выше и ниже точ-
ки замерзания [1]. Скорость повышения темпе-
ратуры
dt/dx = Рй/(рср) = PeKfidh/dt),
где t - температура; т - время; dh - измене-
ние энтальпии.
Для приближенных расчетов при темпе-
ратуре выше точки замерзания часто можно
считать, что коэффициент потерь, плотность и
удельная теплоемкость в некотором ограни-
ченном температурном диапазоне постоянны.
Это позволяет строить простые номограммы
для приближенного определения соотношения
время нагрева - мощность. В процессе микро-
волнового нагрева, как правило, нельзя избе-
жать некоторых вариаций в возрастании тем-
пературы в нагреваемом продукте. Следова-
тельно, установление температурного равнове-
сия зависит от теплопроводности продукта
Лп . Как видно из табл. 8.4 теплопроводность
Лп продуктов различная и существенно зави-
сит от состава продуктов и температуры. Так,
662 Глава 8. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ
теплопроводность ХГ1 замороженного мяса в 3
раза выше, чем оттаявшего. Неравномерное
распределение температур при разморажива-
нии частично компенсируется более высокой
теплопроводностью в замороженном состоя-
нии и большой скрытой теплотой плавления
льда.
При нагреве комбинаций пищевых про-
дуктов, обладающих различными диэлектриче-
скими свойствами, происходит некоторое вы-
равнивание температур, поскольку меньшее
значение 8*ф часто соответствует меньшим
значениям плотности и удельной теплоемко-
сти. Таким образом, очень важно знать диэлек-
трические и другие физические свойства пи-
щевых продуктов.
К важным для микроволнового нагрева
факторам относятся: конструкция рабочей ка-
меры; вариации напряженности поля из-за
отражений и картина стоячих волн; плотность
мощности и скорость нагрева; геометрия про-
дуктов, подвергаемых обработке; скорость
конвейера и внешние условия.
Фактор потерь нагреваемого продукта
влияет на выбор рабочей камеры. Основное
практическое правило состоит в следующем.
Фактор потерь меньше 10~2 требует очень вы-
сокой напряженности электрического поля для
того, чтобы вызвать приемлемую скорость
подъема температуры в материале: для этого
необходима резонансная рабочая камера на
основной моде, отличающаяся от рабочих ка-
мер бегущей волны или многомодовой.
Если фактор потерь больше чем 5, то мо-
жет возникнуть проблема глубины проникно-
вения, потому что материал является слишком
сильно поглощающим микроволновое излуче-
ние, большая часть падающей энергии абсор-
бируется на первых нескольких миллиметрах.
Это вызывает неравномерность нагрева, кото-
рая для глубинного нагрева является неприем-
лемой.
Фактор потерь в пределах 10 2 < 8*ф < 5
представляет материалы, которые являются
хорошими кандидатами для микроволнового
нагрева. Слоистые материалы с сильно разли-
чающимися диэлектрическими свойствами
особенно восприимчивы к ограничениям. Так,
мясо с поверхностным слоем жира при опреде-
ленных соотношениях между длиной волны и
толщиной слоя жира может перегреваться.
Тенденция к перегреву поверхностных жиро-
вых тканей тела при микроволновой диатермии
возрастает с повышением частоты.
8.1.4. ИЗМЕРЕНИЕ
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
Измерение комплексной диэлектрической
проницаемости гребуез специализированных
методов. Для часто! / 100 МГц использу-
ются (?-метр и мостовые методы. Выше этой
частоты измерение сопровождается определе-
нием в коаксиальной линии или волноводе
постоянной распространения электромагнит-
ной волны в материале. При />10 ГГц ис-
пользуются методы свободного пространства.
Для промышленных целей в основном
используются частоты: (433,9±0,87) МГц,
(896±10) МГц, (915±13) МГц и (2450±50) МГц.
Измерения диэлектрических свойств на этих
частотах проводятся обычно на волноводных
устройствах в виде коаксиальных проводников
с измеряемым материалом, представляющим
диэлектрическую среду между проводниками.
Метод включает измерение постоянной рас-
пространения у :
Y2 = (2л/\.)2 -ш2цаеа =(а+ /Р)2, (8.3)
где - длина волны отсечки волновода; ца
и 8а ~ абсолютная соответственно магнитная
и диэлектрическая проницаемость; Р - фазо-
вая постоянная; со - круговая частота.
Измерение постоянной распространения
электромагнитной волны в материале Y2 и в
пустой передающей линии у| дает прямой
метод получения комплексной диэлектриче-
♦
ской проницаемости 8 из уравнения (8.3),
которое для коаксиальной линии (Лс=оо)
упрощается:
еа=е0е*=е0(Г2/Г1)2- (8-4)
♦
Поэтому измерение величины 8 вклю-
чает определение постоянной затухания а,
фазовой постоянной Р электромагнитного
сигнала.
Наиболее простым экспериментальным
методом измерения является метод Роберта и
фон Хиппеля, который, несмотря на первона-
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СЫРЬЯ И ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
663
чальную пригодность его только для измере-
ния твердых материалов, пригоден для измере-
ния комплексной диэлектрической проницае-
мости жидкости с потерями. Его большим не-
достатком является то, что расчет делается по
экспериментальным данным и включает реше-
ние трансцендентных уравнений. Эта труд-
ность в настоящее время преодолевается путем
использования компьютерной техники. Обору-
дование для этого измерения легко может быть
получено.
Метод Роберта и фон Хиппеля включа-
ет исследование стоячей волны в передающей
линии (или волновода), оканчивающейся сек-
цией, заполненной исследуемым диэлектри-
ком. Схема измерений и вид стоячей волны,
которая устанавливается в ней, приведены на
рис. 8.10 [3].
Сигнал-генератор посылает электромаг-
нитную волну через щелевую линию к секции,
содержащей диэлектрик 2, дальний конец ко-
торой коротко замкнут. Входной импеданс zBX
секции, заполненной диэлектриком, связан с
характеристическим импедансом линии Zq2 :
zbx =-02th(y26/) , (8.5)
где d является длиной диэлектрического об-
разца.
Отношение характеристического импе-
данса линии Zq2, заполненной диэлектриком,
к таковому пустой линии Zqj выражается
~ = (Y1/Y2)=(jP1/Y2) • <8-6)
z01
Принимая пренебрежимо малыми потери
в пустой линии, исключая Zq2 из уравнений
(8.5) и (8.6), получаем
zBx =JPlz01[th(Y2<*)]/Y2 <8-7)
Сложение бегущей и отраженной волн
дает увеличение амплитуды стоячей волны,
характеризуемой коэффициентом стоячей вол-
ны по напряжению Асвн- Из уравнений напря-
жения и тока в любой точке вдоль передающей
линии может быть легко показано, что на рас-
стоянии Xq от плоскости АА отношение на-
пряжения к силе тока есть
6
Рис. 8.10. Схема измерений свойств
диэлектрических материалов:
а - стоячая волна по напряжению Е при отсутствии
поглощающего материала;
б - то же, при наличии поглощающего материала;
/ - короткое замыкание;
2 - диэлектрический образец; 3 - зонд;
4 - к детектору коэффициента стоячей волны
по напряжению; 5 - коаксиальная линия;
6 - микроволновый генератор
„ „ zBX+7Z0ltg(p]X0)
z = z01--——~7Z—Г • <8-8)
z01 +JzBxtg(₽l*o)
Если эта точка является минимумом на-
пряжения, то импеданс выражается через
Kz0].
Подставив его в уравнение (8.8), получим
A?-jtg(P|X0)
z°l l-;xtg(p,,0)
(8.9)
Приравнивая правые части уравнений
(8.7) и (8.9), получаем
th(y2</)_ K-jtg(p2x0)
-------—------------------- . (о. IU)
у2<У l-jXtg(P|X0)jP1J
Поэтому определение th(у2<У)/(у2с/)
требует измерения четырех параметров Х0,
К , d и ^0 , где ^0 является длиной волны в
пустой коаксиальной линии.
664 Глава 8. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Уравнение (8.10) решается с помощью
вычислительной техники, и при подстановке в
уравнение (8.4) множество возможных реше-
♦
ний для 8 может существовать.
Неопределенность многих решений уст-
раняется при втором измерении при другой
длине образца. Отсюда правильное решение
получается при сравнении двух систем реше-
ний. Простая теория пренебрегает какими-
нибудь ошибками из-за несовершенного ко-
роткозамкнутого контура, потерь в линии, ко-
торые становятся важными при измерениях
материалов с низкими потерями, т.е. при
8эф/8Г<10 4 и несовершенства диэлектриче-
ского образца. Дополнительные погрешности
могут возникать в результате сморщивания
диэлектрического образца, который не полно-
стью занимает пространство между внутрен-
ним и внешним проводниками (в том случае,
♦
когда измеряется 8 как функция содержания
влаги) и специальные корректирующие факто-
ры используются.
Типичная схема установки для измерения
диэлектриков показана на рис. 8.11 [3]. Она
состоит из осциллятора 1 с переменной часто-
той с прямоугольной модуляцией волны, пи-
Рис. 8.11. Схема установки для определения
свойств диэлектриков:
7 - микроволновый генератор; 2-10 dB-аттенюатор;
3 - направленный ответвитель; 4 - частотный
индикатор; 5 - каретка, несущая зонд и кристалл;
6- индикатор КСВН; 7- коаксиальная щелевая
линия; 8 - держатель образца
Рис. 8.12. Схема устройства для измерения зату-
хания в щелевой линии:
/ - микроволновый генератор; 2-10 dB-атгенюатор;
3 - коаксиально-волноводный переход;
4 - ТЕю волновод; 5 - материал; 6 - кристаллический
детектор; 7- измеритель постоянного тока
тающего щелевую линию через lOdB-атте-
нюатор 2 и направленный ответвитель 3, кото-
рый делает возможным связь с индикатором
частоты.
Емкостной зонд проникает через про-
дольную щель коаксиального волновода и ис-
следует картину стоячей волны между провод-
никами. Микроволновое поле выпрямляется и
поддерживается в настраиваемом усилителе с
целью измерения отношения напряжений стоя-
чей волны К. При частотах, превышающих
3000 МГц, щель в наружном проводнике вызы-
вает искажение поля и излучения, ведущего к
существенным погрешностям. Чтобы исклю-
чить электрические проблемы обеспечения
изоляции, используются нещелевые линии.
Принцип действия их аналогичен щелевым
линиям, за исключением того, что использует-
ся зонд в виде петли, чтобы обрабатывать рас-
пределение магнитного поля.
Описанный выше прецизионный метод
измерения ь и 8^ф, основанный на методе
фон Хиппеля, является утомительным для вы-
полнения и вычисления, и обычно используют
более простое, но адекватное устройство, схе-
ма которого показана на рис. 8.12. Простое
измерение затухания бегущего микроволново-
го сигнала происходит благодаря материалу,
который образует тонкий слой внутри волно-
вода, работающего на волне типа ТЕю- Благо-
даря этому, интересующие свойства выдаются
в систему конструирования без сложных вы-
числений.
8.2. ОБОРУДОВАНИЕ
ДЛЯ МИКРОВОЛНОВОЙ ОБРАБОТКИ
ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
Потенциальные возможности использо-
вания микроволновой или сверхвысокочастот-
ной (СВЧ) энергии заключаются в больших
качественных изменениях в области пищевой и
сельскохозяйственной технологий. В результа-
те бесконтактности нагрева, способности СВЧ-
энергии проникать внутрь продукта на значи-
тельную глубину можно нагревать продукты
до заданной температуры (при достаточной
удельной мощности установки) независимо от
продолжительности процесса, объема и формы
продуктов. Скорость нагрева объекта может
быть в десятки, сотни раз больше, чем при
традиционных способах. Появляется возмож-
ность широкого развития высокотемператур-
ных быстрых технологий, позволяющих новы-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МИКРОВОЛНОВОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
665
сить качество продукта, сократить его потери
(увеличить выход). Становится возможным
получить специфический тепловой эффект,
выражающийся в том, что компоненты с раз-
ными диэлектрическими потерями нагревают-
ся по-разному (селективный нагрев) или, на-
оборот, за счет геометрии СВЧ-поля и режим-
ных параметров процесса можно достичь объ-
емного равномерного нагрева продукта. Все
это позволяет получить существенную допол-
нительную прибыль.
Вакуумная СВЧ-сушка термолабильных
продуктов и материалов успешно конкурирует
с сублимационной, так как сушилки проще в
аппаратурном исполнении, менее металлоемки,
в 1,5 раза экономичнее в эксплуатации, а дли-
тельность процесса при температуре ниже
40 °C составляет для разных материалов от
нескольких минут до 0,5 ч.
В медико-биологической оценке институ-
та питания АМН РФ пищевых продуктов, об-
работанных СВЧ-энергией, указывается, что
при такой обработке достигается более высо-
кая сохранность витаминов, повышается ус-
вояемость белка. Отсутствие контакта пищи с
источником теплоты (например, при жарении)
позволяет приблизить такие продукта к диети-
ческим. Важным достоинством микроволново-
го оборудования является его многофункцио-
нальность.
8.2.1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ
МИКРОВОЛНОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Независимо от способа действия, техно-
логического назначения и мощности СВЧ-
установка имеет структурную схему, представ-
ленную на рис. 8.13 [4].
Главным элементом СВЧ-установки яв-
ляется генератор СВЧ-энергии - прибор, в ко-
тором электрическая энергия постоянного или
переменного тока преобразуется в энергию
электромагнитного поля сверхвысоких частот.
Основным СВЧ-генератором промышленного
применения по праву стал магнетрон непре-
рывного действия - генераторная лампа, обла-
дающая высоким КПД (более 75 %), компакт-
ностью, надежностью, устойчиво работающая
на нагрузке с большим коэффициентом отра-
жения, не требующая сложных источников
питания.
Магнетрон состоит из двух основных
частей: цилиндрического диода и рабочего
магнита (рис. 8.14). В центре диода располо-
жен катод, изготовленный из вольфрама и ок-
руженный анодом, представляющим собой
массивный медный цилиндр, внутренняя по-
верхность которого образует последователь-
ность четного числа симметрично располо-
женных объемных резонаторов, связанных с
межэлектродным пространством щелевым
зазором. На наружной части анода предусмот-
рена рубашка водяного охлаждения или радиа-
тор воздушного охлаждения.
Питание катода осуществляется через ка-
тодные ножки /. На катод также подается вы-
сокий отрицательный потенциал, который соз-
дает в кольцевом вакуумном зазоре между
катодом и заземленным анодом радиальное
электрическое поле.
Рабочий магнит создает вдоль оси магне-
трона магнитное поле, заставляющее выле-
тающие из катода электроны отклоняться от
радиального направления и двигаться в про-
странстве между катодом и анодом по сложной
спиральной траектории в виде существующего
электронного облака, вращающегося вокруг
катода с определенной угловой скоростью.
Электроны отдают высокочастотному электри-
ческому полю, наведенному в зазорах резона-
торов, часть своей энергии, приобретенной при
Рис. 8.13. Структурная схема СВЧ-установки
666 Глава 8. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Рис. 8.14. Магнетрон
(верхний и нижний магниты не показаны):
1 - катодные ножки; 2 - медные перемычки;
3 - резонаторы; 4 - анод; 5 - петля связи;
б-коаксиальная линия;
7 - защитный диэлектрический колпак
их ускорении постоянным электрическим по-
лем, приложенным между катодом и анодом.
Энергия возникающих в системе резонаторов
незатухающих колебаний выводится из одного
из резонаторов с помощью индуктивной петли
или щели связи и по коаксиальной или волно-
водной линии подается в рабочую камеру.
Генерируемая магнетроном частота опре-
деляется числом резонаторов и напряженно-
стью магнитного поля. Диапазоны разрешен-
ных частот в различных странах несколько
различаются (табл. 8.5) [4].
8.5. Диапазоны разрешенных частот
в некоторых странах мира
Частота, мГц Страна
433,92 Россия, Австралия, Португалия, Германия, Югославия, Швейцария, Испания, США
896 Соединенное Королевство
915 Россия, Испания, США и все осталь- ные страны, кроме указанных выше
2375 Россия, Албания, Болгария, Венгрия, Польша, Румыния, Чехия, Словакия
2450 Все страны, кроме указанных в пре- дыдущем пункте
5800 22125 Все страны
Передача СВЧ-энергии от генератора в
рабочую камеру осуществляется по волново-
дам прямоугольного, круглого сечения или по
коаксиальным линиям.
Рабочая камера (аппликатор) представля-
ет собой электродинамическое устройство, в
котором СВЧ-энергия, генерируемая магне-
троном, трансформируется в тепловую в обра-
батываемом материале. Ввиду того, что в на-
стоящее время не существует общепринятой
классификации подобных устройств, при по-
строении технической классификации камер
целесообразно в качестве определяющего при-
знака [4] выбрать их габаритный размер £,
сравниваемый с длиной волны Л (рис. 8.15).
Камеры с неограниченным объемом в
общем случае представляют собой открытое
пространство, в котором антенна мощного
СВЧ-генератора облучает обрабатываемый
объект, например сельскохозяйственные поля,
мерзлый грунт и т.д., где могут быть использо-
ваны несколько рупорных излучателей (ан-
тенн), согласованных с нагреваемой средой и
расположенных на самоходной технике вместе
с источником СВЧ-энергии (рис. 8.16, а).
Камеры с ограниченным объемом отли-
чаются от камер с неограниченным объемом
наличием, ограничивающих объем, металличе-
ских стенок (рис. 8.16, б). Если объект доста-
точно велик, то в камерах возможно механиче-
ское или электрическое сканирование.
Камеры со стоячей волной представля-
ют собой объемные резонаторы прямоуголь-
ной, круглой, коаксиальной формы или корот-
козамкнутые отрезки линии передачи с поме-
щенными в них обрабатываемыми объектами,
работающие в режиме, близком режиму стоя-
чей волны (рис. 8.16, в). Последнее является
основным их недостатком вследствие нерав-
номерности нагрева обрабатываемого материа-
ла, помещаемого в камере на предметном сто-
ле. Загрузка и выгрузка объекта осуществляет-
ся через дверцу, которая является одной из
стенок этого резонатора.
При конструировании камеры на объем-
ном резонаторе важным является выбор места
расположения ввода энергии (излучателя) в
камеру. Излучатель передает энергию от гене-
ратора в рабочую камеру и должен обеспечи-
вать оптимальную связь генератора со всеми
типами колебаний в камере, что позволяет по-
лучить высокий КПД камеры и повысить рав-
номерность нагрева обрабатываемого продук-
та. Чаще всего ввод энергии осуществляют
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МИКРОВОЛНОВОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
667
Рис. 8.15. Классификация СВЧ-камер
Рис. 8.16. Камеры для термообработки объектов:
а - с неограниченным объемом;
б - с ограниченным объемом; в - со стоячей волной;
г - с бегущей волной
через волновод, размещая отверстие связи,
например, в прямоугольном волноводе, на рас-
стоянии Л/4 от металлической нижней, верх-
ней или задней стенки резонатора.
Для повышения равномерности нагрева
наиболее эффективны такие способы выравни-
вания плотности энергии электромагнитного
поля в объеме камеры, как возбуждение в ре-
зонаторе большого числа колебаний многих
типов в узкой полосе частот, увеличение числа
вводов энергии (в установках большой мощно-
сти), механическое перемещение в резонаторе
предметного стола или вращение механическо-
го пропеллера (дисектора), устанавливаемого
вблизи ввода энергии так, что его лопасти час-
тично перекрывают отверстие связи и дают
фазовый сдвиг векторов электрических полей,
что способствует более равномерному нагреву
продукта. Частота вращения дисектора
10...60 мин-1. Объем резонаторов СВЧ-печей
малой мощности колеблется в пределах
15...35 дм3, печей средней мощности 40...80 дм3
и печей большой мощности 80... 150 дм3.
Среди объемных резонаторов, исполь-
зуемых в камерах, наибольшее распростране-
ние получил прямоугольный. Длина волны
собственных колебаний такого резонатора
где т,п,р - целые числа (индексы вида коле-
баний); а,Ь,с - линейные размеры резонато-
ра.
Для решения задачи анализа, т.е. опреде-
ления типов колебаний при выбранной геомет-
рии резонатора можно воспользоваться номо-
граммой, приведенной на рис. 8.17. Правила
построения и работы с этой номограммой сво-
дятся к следующему:
Рис. 8.17. Номограмма для определения видов
колебаний прямоугольного резонатора
668 Глава8. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ
1. На расстоянии В друг от друга прово-
дим три оси
z \2
-1-1
4 Ш
<72
4
где 71,72 > <?3 ~ масштабные множители; на
рис. 8.17 71 = 72 = 40 ; 73 = 1; а - целое чис-
ло, выбираемое в соответствии с принятым
масштабом номограммы ( а - 22 ), причем
точки на оси Х\ । । отложим справа налево.
2. Точкам оси Xj j । приведем в соответ-
z
I т I
ствие значения величины I — I при условии
п = р = 0.
3. Точку (0, 0) на нижней полуплоскости
z \2
I т I
соединим прямыми с точками I — I на оси
Xf j 1 и таким образом получим прямые
т = const.
4. Прямые п = const проводим на нижней
полуплоскости параллельно осям X из точек
л 2 *
72
5. Прямые р = const проводим на верхней
полуплоскости параллельно осям X из точек
72+Р
6. Из точки на оси Xj , соответствующей
данному значению
, проводим прямую в
точку
на оси Xj 1 ]. Точки
прямых т = const, п = const, лежащие на прове-
денной прямой, определяют индексы возмож-
ных видов собственных колебаний Нтп^,
7. Из точки на оси Хц, соответствую-
z
I а I
щей данному значению — , проводим пря-
V су
мую в точку
(1-73
. В верхней полу-
плоскости эта прямая пересекает прямые
р = const в некоторых точках п.
8. Через эти точки п и точку (0, 0) на
верхней полуплоскости проводим прямые до
пересечения с осью X 11
9. 1очки оси Ац. найденные в п. 8, со-
единяем прямыми с точкой оси X]. соответст-
вующей данному значению
10. Точки т = const: п = const, попадаю-
щие на эти прямые, соответствуют индексам
возможных видов собственных колебаний
Нщпр и Ещпр •
Эта номограмма не позволяет путем пря-
мых построений решить задачу синтеза камеры
на объемном резонаторе с оптимальными раз-
мерами. Но поскольку построения на номо-
грамме достаточно просты, варьируя значе-
ниями а,Ь,с, с помощью номограммы можно
довольно быстро подобрать такие размеры
резонатора, при которых в нем может сущест-
вовать желаемое количество собственных ви-
дов колебаний [4].
В качестве камер с бегущей волной мо-
гут быть использованы отрезки линии переда-
чи на базе прямоугольных, круглых, коакси-
альных, полосковых волноводов и замедляю-
щих систем, работающие в режиме, близком к
режиму бегущей волны. Они выгодно отлича-
ются от камер со стоячей волной возможно-
стью получить лучшее согласование, т.е.
больший КПД и большую равномерность на-
грева обрабатываемого материала. Простейшая
схема такой камеры приведена на рис. 8.16.
Камеры с бегущей волной для неподвиж-
ного объекта обработки. Камера на прямо-
угольном волноводе состоит из отрезка одно-
родного волновода стандартного сечения,
снабженного присоединительным фланцем, и
отрезка короткозамкнутого волновода с изме-
няющейся вдоль оси волновода шириной его
узких стенок. Составной частью неоднородно-
го волновода является кювета с обрабатывае-
мой средой. Кювета крепится к волноводу с
помощью струбцин (разъемная камера) или с
помощью специального отсека (лотковая каме-
ра).
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МИКРОВОЛНОВОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
669
В лотковой камере (рис. 8.18) кювета
вставляется в отсек, выполненный как одно
целое с неоднородным волноводом 6 и укреп-
ляется с помощью специальных замков и кон-
тактных пружин, предотвращающих к тому же
утечку СВЧ-энергии из отсека. Обрабатывае-
мая среда должна заполнять кювету так, чтобы
ее поверхность являлась продолжениям по-
верхности широкой стенки стандартного вол-
новода, через который подается к среде мощ-
ность от СВЧ-генератора.
Конструкция камеры на квазикоаксиаль-
ном волноводе аналогична камере на прямо-
угольном волноводе. Обрабатываемая среда
является продолжением внутреннего провод-
ника согласующего перехода коаксиального
волновода и удерживается вдоль оси волновода
с помощью радиопрозрачного диэлектрическо-
го материала, выполненного в виде стакана
(рис. 8.19) или банки (рис. 8.20). Можно ис-
пользовать и модификацию конструкции, пока-
занной на рис. 8.19, подводя энергию от двух
(рис. 8.21, а) или одного (рис. 8.21, 6) генера-
тора.
Неравномерность нагрева продукта для
оптимальных камер с бегущей волной состав-
ляет ± (2...3) %, что существенно меньше обыч-
но получаемой неравномерности в камерах со
стоячей волной /<свн обычно не более 1,3.
Камеры с бегущей волной для движуще-
гося объекта термообработки. Камеры для
проточной среды на квази коаксиальном и диа-
фрагмированном волноводе приведены на рис.
8.22. В таких камерах обычно нет необходимо-
сти добиваться максимальной равномерности
тепловыделения вдоль оси линии передачи,
вследствие чего в них могут быть использова-
ны однородные линии. Так, на рис. 8.23 пока-
зана камера, в которой обрабатываемая среда
перемещается под действием силы тяжести в
технологическом канале, отделенном от внут-
ренней полости волновода того или иного се-
чения радиопрозрачными пластинами. Приме-
нение в камерах такого рода волновода Н-об-
разного профиля позволяет увеличить в рабо-
чей зоне напряженность электрического поля, а
следовательно, интенсифицировать процесс
термообработки.
На рис. 8.24 приведена камера на одно-
родном диафрагмированном волноводе. СВЧ-
энергия в камеру поступает с обоих концов
через коаксиально-волноводные переходы.
Деление энергии осуществляется щелевым
мостом с переходным ослаблением в 3 дБ.
Рис. 8.18. Лотковая камера на прямоугольном
волноводе:
/ - замки лотка; 2 - лоток; 3 - отсек лотка;
4 - обрабатываемая среда; 5 - герметизирующий
диэлектрик; 6 - неоднородный волновод;
7 - однородный волновод; 8 - фланец
Рис. 8.19. Камера на квазикоаксиальном волноводе
(/= 2375 МГц):
/ - волноводный разъем; 2 - четвертьволновой
согласующий переход; 3 - поглощающая часть;
4 - внешний проводник; 5 - диэлектрический стакан;
б - обрабатываемая среда; 7 - крышка
/ 2 з 4 5 6 7
Рис. 8.20. Камера на квазикоаксиальном волноводе
для обработки сред в стандартной стеклянной
банке объемом 0,5 (2,0) л (/= 433 МГц):
1 - 4,6,7 - см. рис. 8.19; 5 - стеклянная банка
Длина диафрагмированного волновода выбра-
на такой, что встречные волны в его середине
практически затухают. Согласование диафраг-
мированного волновода с волноводно-коак-
сиальным переходом осуществляется экспери-
ментальным подбором положения поршней,
размеров первой секции замедляющей систе-
мы, длины и формы внутреннего проводника
отрезка коаксиальной линии.
670 Глава 8. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ
а) б)
Рис. 8.21. Сдвоенная камера
на квазикоаксиальном волноводе (/=2375 МГц):
а - с двумя высокочастотными разъемами;
б - с одним высокочастотным разъемом
Рис. 8.24. Камера для термообработки проточных
сред:
Ц6- волноводно-коаксиальные переходы;
2 - переход с коаксиального волновода
на диафрагмированный; 3 - нагреваемая среда;
4 - диафрагмированный волновод;
5 - радиопрозрачная труба технологического канала;
7 - мост 3 дБ
Рис. 8.22. Камеры для обработки проточных сред
на квазикоаксиальном и диафрагмированном
волноводах
Рис. 8.25. Камера на П-волноводе
с диэлектрическим конвейером:
1 - П-образный волновод; 2 - объект обработки;
3 - конвейер; 4 - ввод СВЧ-энергии;
5 - выход для подключения согласованной нагрузки
Рис. 8.23. Камера для термообработки среды,
перемещающейся под действием тяжести:
/ - волновод; 2 - технологический канал; 3 - стенка
волновода; 4 - радиопрозрачные пластины;
5 - вентилятор; 6,10- конвейеры;
7 - загрузочное устройство; 8 - выход воздуха;
9 - сборник обработанной среды
В ряде случаев обрабатываемые объекты
целесообразно транспортировать вдоль камеры
с помощью конвейера. На рис. 8.25 показана
конвейерная СВЧ-установка, в которой камера
собрана из отрезков однородных волноводов
П-образного сечения. Обрабатываемые изделия
перемещаются внутри камеры в диэлектриче-
ских контейнерах с помощью диэлектрической
цепи.
Как и в случае объемных резонаторов,
можно воспользоваться номограммами [4] для
решения графоаналитическим методом задачи
синтеза оптимальных СВЧ-камер с бегущей
волной.
Блок питания обеспечивает работу маг-
нетрона и состоит из накального трансформа-
тора магнетрона, высоковольтного анодного
трансформатора и выпрямителя. Блоки пита-
ния могут быть однофазные и трехфазные.
Иногда, в целях удешевления конструкции
блоков питания, магнетроны непрерывного
действия включаются во вторичную обмотку
высоковольтного трансформатора по схеме
двухполупериодного выпрямления, что позво-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МИКРОВОЛНОВОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
671
ляет отказаться от применения выпрямителей,
но приводит к некоторому снижению выход-
ной мощности магнетрона. Некоторые блоки
питания имеют устройства для отсчета числа
включений магнетрона, часов работы и реле
времени для выдержки интервала времени,
необходимого для разогрева катодов магнетро-
на.
Пульт управления процессом имеет ми-
нимально необходимое количество органов
управления и контроля. Обычно это кнопки
включения и выключения установки, исполни-
тельных устройств и включения магнетрона,
переключатель мощности магнетрона и т.д.
Кроме того, на пульте управления устанавли-
ваются сигнальные лампы системы автомати-
зации и блокировок, обеспечивающей пра-
вильную последовательность включения уста-
новки, отключение магнетрона при отклонении
от нормального режима работы и безопасность
работы обслуживающего персонала. Иногда
устанавливаются стрелочные приборы, пока-
зывающие силу анодного тока магнетрона или
уровень мощности (обычно в процентах от
номинальной), отдаваемой магнетроном.
Ввиду сильного саморазогрева магнетро-
на в процессе работы требуется его принуди-
тельное охлаждение. Система охлаждения
магнетрона бывает воздушной и водяной.
Воздушная система состоит из вентилятора,
воздуховодов и воздушного фильтра. Систему
водяного охлаждения чаще всего подключают
к водопроводной сети. В системе предусмотре-
ны реле протока (реле давления), фильтр и
шланги. В некоторых установках используют
охлаждение магнетрона по замкнутому циклу,
включающему рекуперацию теплоты от систе-
мы охлаждения магнетрона, воздушную систе-
му охлаждения воды магнетрона.
В ряде случаев, особенно для конвейер-
ных СВЧ-установок большой мощности, пред-
почтительно использовать схему, включаю-
щую несколько СВЧ-генераторов модульного
типа, устанавливаемых непосредственно около
ввода энергии в рабочую камеру. Благодаря
этому появляется возможность создания любо-
го заданного распределения энергии в конвей-
ерных нагревательных системах при высоких
(до 25...30 кВт) суммарных мощностях, обес-
печиваемых набором необходимого количества
одинаковых модулей.
Применение универсальных и легко за-
меняемых СВЧ-генераторов модульного типа,
пригодных для использования в нагреватель-
ных устройствах многих типов, позволяет су-
щественно сократить стоимость разработок,
повысить надежность и упростить техническое
обслуживание оборудования, а также легко
проводить переналадку установок на различ-
ные технологические режимы.
По мощности, а следовательно, и произ-
водительности СВЧ-установки можно разде-
лить на установки малой мощности (0.5...
1,5 кВт) производительностью 5... 10 кг/ч,
средней мощности (1,5... 10 кВт) производи-
тельностью 15...40 кг/ч и большой мощности
(10... 100 кВт и выше) производительностью от
50 кг до нескольких тонн в час. Принятые на-
звания СВЧ-аппаратов малой и средней мощ-
ности следующие: СВЧ-шкафы, СВЧ-печи,
микроволновые печи, электронные шкафы, а
СВЧ-аппаратов большой мощности - электро-
термическое СВЧ-установки или просто СВЧ-
установки.
По способу действия СВЧ-установки
можно разделить на два основных типа: перио-
дического и непрерывного действия. В уста-
новках периодического действия используют в
основном резонаторные камеры прямоуголь-
ной и цилиндрической формы. Основными
недостатками этих установок являются низкий
коэффициент использования установки (не
выше 0,65) и относительная неравномерность
нагрева продуктов.
В установках непрерывного действия
применяются рабочие камеры проходного ти-
па. Эти установки обладают следующими пре-
имуществами перед установками периодиче-
ского действия: удельный расход электроэнер-
гии 0,20...0,25 кВт ч/кг (по сравнению с 0,4...
0,5 кВт ч/кг в установках периодического дей-
ствия); в 2,5...3,0 раза меньшую площадь, за-
нимаемую установкой (при одинаковой произ-
водительности); больший срок службы магне-
трона, работающего непрерывно в номиналь-
ном режиме и не подвергающегося частым
включениям и выключениям; более равномер-
ный нагрев продукта вследствие его переме-
щения; возможность полной механизации и
автоматизации процесса тепловой обработки.
К СВЧ-установкам и камерам нагрева
предъявляют определенные требования. Так,
установка СВЧ-нагрева должна обеспечивать
заданный технологический режим термообра-
ботки, надежную работу генератора, защиту
обслуживающего персонала и окружающей
среды от сверхвысокочастотных излучений и
быть экономически выгодной.
672 Глава 8. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Режимы термообработки в различных
технологических процессах могул быть разны-
ми, но, как правило, необходим равномерный
по объему изделия нагрев с заданной скоро-
стью нарастания температуры (темп нагрева).
Для надежной работы генератора Асвн
камеры не должен превышать допустимого для
данного генератора значения. В этом отноше-
нии наибольший интерес представляют камеры
с бегущей волной, так как они, практически не
влияя на работу генератора, могут быть ис-
пользованы с любым источником СВЧ-энер-
гии.
Защита обслуживающего персонала и ок-
ружающей среды от СВЧ-излучения осуществ-
ляется разумным конструированием системы
загрузки - выгрузки изделий. На рис. 8.26
представлен широкополосный фильтр для пре-
дотвращения утечки СВЧ-энергии из рабочей
камеры. Ловушка состоит из четвертьволновых
преобразователей колебаний низших видов
Н10 в колебания высших видов . Чет-
вертьволновым фильтром создается бесконеч-
ный импеданс для волн вила H^q , что обеспе-
чивает обратное отражение поля в рабочую
камеру (часть поля отражается в зоне действия
преобразователей типа волны). Часть поля,
проходящая через фильтр, ослабляется специ-
альным поглотителем из материала с достаточ-
но высокими потерями. Конструкция камеры
должна позволять устанавливать блокировоч-
ные устройства, выключающие генератор в
аварийных режимах.
Рис. 8.26. Широкополосный фильтр:
1 - радиопрозрачная лента; 2 - поглотитель; 3 - фильтр; 4 - преобразователь колебаний; 5 - рабочая камера
8.2.2. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОБРАБОТКИ
МЯСА И МЯСОПРОДУКТОВ,
РЫБЫ И МОРЕПРОДУКТОВ
Размораживание мяса, рыбы и других
продуктов СВЧ-энергией позволяет почти пол-
ностью исключить потери массы продукта,
обычно составляющие 2...3 %, предотвратить
ферментативную их порчу и развитие микро-
флоры за счет сокращения длительности про-
цесса с 12 ч до 10 мин. Если весь объем блоков
мяса и рыбы при промежуточной переработке
размораживать с помощью СВЧ-энергии, то
может быть достигнуто еже! одное сокращение
убыли массы мяса до 30 тыс. т, рыбы до
60 тыс. т. При СВЧ-термообработке вареных
колбас выход может быть увеличен в среднем
на 4 %.
Отечественный СВЧ-агрегат непрерыв-
ного действия А1-ФДВ предназначен для раз-
мораживания блоков пищевых продуктов, в
основном мясных и рыбных (рис. 8.27). Техно-
логическая часть агрегата состоит из СВЧ-
камеры 7, выполненной в виде прямоугольного
волновода увеличенного сечения (450x900 мм)
длиной 5060 мм, расположенного наклонно. По
диагонали ее широкой (боковой) стенки через
прорези проходит прямоугольный полиэтиле-
новый тоннель 5, в котором по конвейеру пе-
ремещаются блоки мяса или рыбы в контейне-
рах из радиопрозрачного материала.
Небольшой угол (6°) падения электро-
магнитной волны на поверхность обрабаты-
ваемого продукта способствует хорошему со-
гласованию в СВЧ-камере, а большая протя-
женность продукта (блоки движутся в тоннеле
вплотную друг к другу) позволяет получать
высокий коэффициент использования СВЧ-
энергии.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МИКРОВОЛНОВОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
673
Рис. 8.27. СВЧ-агрегат А1-ФДВ непрерывного действия для размораживания мясных и рыбных блоков:
/ - цепной конвейер; 2 - диэлектрический контейнер; 3 - загрузочное устройство; 4,8 - защигные устройства;
5 - тоннель; 6 - диэлектрическая конвейерная лента; 7 - рабочая камера; 9 - пирамидальный рупор;
10- волноводный тракт (СВЧ-генератор не показан); / / - устройство выгрузки;
12, 14 - защитные устройства с поглощающим покрытием; 13 - привод конвейера
Техническая характеристика СВЧ-агрегата А1-ФДВ приведена ниже.
Производительность (техническая), кг/ч..................... 1000... 1200
Установленная мощность СВЧ-генератора, кВт................... 120
Мощность СВЧ-энергии, вводимая в камеру, кВт................. 20...50
Частота колебаний, МГц....................................... 915+25
Питание генератора от промышленной сети:
напряжение, В................................................ 380/220
частота тока, Гц......................................... 50
Мощность, кВт:
от сети генератором СВЧ-энергии....................... 80... 100
потребляемая механизмами технологической части агрегата.. 2...5
Габаритные размеры генератора СВЧ-энергии, мм................ 4050х 1100x2440
Площадь, занимаемая генератором СВЧ-энергии, м2.............. 5,5
Масса генератора СВЧ-энергии, кг............................. 4500
Габаритные размеры технологической части агрегата, мм........ 14360x1310x1910
Площадь, занимаемая технологической частью агрегата и
пультом управления, м2..................................... 23
Масса технологической части агрегата, кг..................... 2740
Удельная металлоемкость, кг/(кг ч)........................... 6,6
Расход воды в период работы, л/мин:
на охлаждение КИЭ-2....................................... 50
водяной нагрузки СВЧ-камеры.............................. 7
Количество воды, необходимой для одноразовой санобработки, л. 100
Температура охлаждающей воды на входе, °C, не более.......... 25
Габаритные размеры размораживаемых блоков мяса
говядины и свинины, мм, типов:
1 ...................................................... 370x370x150
И....................................................... 370x370x95/75
22 — 8434
674 Глава 8. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ
III...................................................... 370x180x95
IV..................................................... 370x370x95
Начальная температура размораживаемых блоков на входе в агрегат, °C -18...-8
Колебания температуры по объему блока и между блоками
в одной партии сырья на входе в агрегат, °C, не более...... 2
Продолжительность обработки блоков в СВЧ-агрегате,
плавно регулируемая, мин................................... 15 5
Температура размороженных блоков мяса, °C.................. -3... 1
Потери массы (за счет вытекания сока), %................ Практически отсутствуют
Удельный расход электроэнергии на 1 кг размороженного
мяса (в зависимости от начальной температуры), кВт ч/кг.... 0.03...0,05
Удельный расход воды в расчете на 1 кг размороженного мяса, л/кг .. 2,7
Мощная СВЧ-установка периодического
действия «Рейтон БЭЧ QMP-1879» (Голлан-
дия) представлена на рис. 8.28 [7].
Рабочая камера 4 печи с загрузочным ок-
ном 5, нижняя кромка которого находится на
высоте 1000 мм над уровнем моря, закрывается
дверцей 7, оборудованной параллелограммным
рычажным устройством 6, снабженным проти-
вовесом. Обрабатываемый продукт укладыва-
ют на диэлектрический поддон 10. Источник
питания с магнетроном размещается в отдель-
ном шкафу /, на переднюю панель которого
вынесены органы управления 2 печью и кон-
трольно-измерительные приборы.
Особенность энергоблока этой СВЧ-печи
состоит в том, что энергия от СВЧ-генератора
(магнетрона) мощностью 25 кВт через цирку-
лятор подается в рабочую камеру через гори-
зонтальный и вертикальный волноводы 3 к
вращающимся узлам ввода энергии, размещен-
ным в верхней и нижней стенках рабочей ка-
меры, установленной на подставке.
Такая схема ввода энергии позволяет по-
лучать высокую равномерность температурно-
го поля по всему объему обрабатываемых из-
делий при темпе размораживания до 0,2 °С/с.
Так, при размораживании блоков мяса общей
массой 125 кг от начальной температуры -20
до -4 °C продолжительность процесса состав-
ляет 9 мин, а температурный перепад в разных
точках продукта не превышает 1 °C.
Приведенные параметры процесса обра-
ботки мясного сырья гарантируют высокое
качество размороженной продукции.
J 4 5 6 7
Рис. 8.28. СВЧ-установка периодического действия «Рейтон БЭЧ QMP-1879»
для размораживания блоков пищевых продуктов:
1 - шкаф; 2 - органы управления; 3 - вертикальный и горизонтальный волноводы; 4 - рабочая камера;
5 - узел ввода энергии; 6 - рычажное устройство; 7 - дверца рабочей камеры; 8 - загрузочное окно;
9 - обрабатываемый продукт; 10- диэлектрический поддон; / / - противовес; 12 - подставка
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МИКРОВОЛНОВОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
675
Техническая характеристика СВЧ-уста-
новки «Рейтон БЭЧ QMP-1879» приведена
ниже.
Напряжение, В.................... 380
Количество магнетронов........... 1
Колебательная мощность, кВт...... 25
Рабочая частота. МГц............. 915
Разовая загрузка рабочей камеры, кг До 200
Размеры рабочей камеры со
столом и волноводом, мм .... 2130x1651x1220
Размеры источника питания,
мм........................ 1980x1220x914
Масса, кг.......................... 2490
Производительность, кг/ч, менее.. 700
Конвейерная установка «Гигатрон-F»
может служить примером модульного испол-
нения [7]. При размораживании пищевых про-
дуктов эти установки снабжаются устройства-
ми для продувки холодного воздуха темпера-
турой -30 °C через активную зону, что позво-
ляет практически избежать краевого эффекта.
Продолжительность размораживания от на-
чальной температуры продукта -20 до -2...0 °C
составляет 10... 15 мин. При размораживании в
«Гигатроне-F» блоков мяса, рыбы (щука, сар-
дины), рыбного филе, креветок наблюдается
снижение потерь массы по сравнению с размо-
раживанием в воде на 3... 10 %.
На рис. 8.29 приведен «Гигатрон-20Е»
фирмы IMI (Франция). В зависимости от коле-
бательной мощности такие гигатроны в режи-
ме размораживания обеспечивают производи-
тельность 200...3000 кг/ч. При этом число мо-
дулей колеблется от 2 до 6. Обрабатываемый
продукт загружают на ленту конвейера 9,
снабженного плавно регулируемым приводом.
Модули со стороны загрузки и выгрузки снаб-
жены устройствами для предотвращения утеч-
ки СВЧ-энергии. Узел ввода энергии обеспечи-
вает питанием магнетроны в каждой модуль-
ной секции. Воздух, охлажденный до -30 °C,
по каналу поступает в рабочую камеру. Для
санитарной обработки рабочей камеры боко-
вые стенки всех модулей выполнены откидны-
ми. Закрытое их состояние фиксируется запо-
рами.
Погрузочный и разгрузочный канал
снабжен поворотными заслонками и водяной
защитой для снижения уровня утечки СВЧ-
энергии из рабочей камеры, изготовленной из
коррозионно-стойкой стали. Отдельные узлы и
блоки гигатрона монтируются на раме. Обра-
батываемый продукт перемещается на ленте
через рабочие камеры, снабженные откидными
крышками для удобства санитарной обработки.
В рабочем состоянии крышки закрываются
замками. Охлажденный воздух поступает в
рабочие камеры по воздуховоду.
Техническая характеристика «Гигатрона-
20F» приведена ниже.
Производительность в режиме
размораживания, кг/ч .......... 600
Напряжение трехфазное, В....... 380
Частота тока, Гц............... 50 или 60
Установочная мощность, кВт..... 52
Колебательная мощность, кВт.... 20
Диапазон регулирования колеба-
тельной мощности, кВт.......... 5...20
Рабочая частота, МГц........... 2450
Расход воды на охлаждение магне-
трона и поглощающие устройства,
л/мин, менее.................... 12
Рис. 8.29. Конвейерная установка модульного исполнения «Гигатрон-20Р»:
1 - продукт; 2 - узел ввода энергии; 3 - модуль; 4 - запор; 5 - канал; 6 - магнетроны;
7 - рабочая камера; 8 - боковые стенки рабочей камеры; 9 - лента конвейера
22*
676 Глава 8. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ
СВЧ-установка непрерывного действия
роторного типа, показанная на рис. 8.30, яв-
ляется весьма перспективной. Она предназна-
чена для приготовления, разогрева и размора-
живания широкого ассортимента пищевых
продуктов.
Отличительной особенностью установки
является вращающийся ротор, разделенный на
камеры (секции) I—VII. Благодаря этому уста-
новка отличается компактностью и высокими
технико-экономическими показателями. Так,
по сравнению с конвейерной СВЧ-установкой
тоннельного типа роторная СВЧ-установка при
одинаковой производительности занимает в
2,0-2,5 раза меньшую площадь, а ее масса на
25...30 % меньше.
К преимуществам роторной СВЧ-уста-
новки следует отнести удобство санитарной
обработки рабочей камеры и компактность
блоков питания и привода ротора, которые
размещаются непосредственно под рабочей
Рис. 8.30. СВЧ-установка роторного типа:
1 - электродвигатель привода ротора; 2 - анодный
трансформатор; 3 - блок питания; 4 - магнетрон;
5 - волновод; 6 - пульт управления; 7 - корпус;
8 - окно загрузки и выгрузки; 9- перегородка между
секциями; 10- продукт; 11 - стол
камерой. Совмещение загрузочного и выгру-
зочного отверстий обеспечивает возможность
снижения уровня утечек СВЧ-поля, а также
позволяет эксплуатировать печь одним опера-
тором, который может осуществлять загрузку,
выгрузку и контроль за работой установки.
Рабочая зона, где происходит тепловая
обработка продукта, состоит из трех секций
I—III. СВЧ-энергия подводится в зону тепловой
обработки через волновод таким образом, что в
секции I происходит быстрый разогрев образ-
цов, а в секциях II и /// продукт доводится до
кулинарной готовности при постоянной темпе-
ратуре. Остальные четыре секции ротора ис-
пользуются следующим образом: секции IV и
VII с перегородками являются шлюзовыми;
секции V и VI служат для загрузки и выгрузки
продуктов.
Для предотвращения утечки поля из ра-
бочих камер предусмотрено уплотнение между
перегородками и ограждением ротора, состоя-
щее из двойных контактных пружин, изготов-
ленных из бериллиевой бронзы.
Обрабатываемый продукт в упаковке
(контейнере) помещается на диэлектрическую
подставку. Ограждение ротора, выполненное
из коррозионно-стойкой стали, имеет форму
цилиндра диаметром 1050 мм и высотой 300
мм. Блок питания магнетрона включает транс-
форматор, выпрямитель и системы автомати-
зации и регулирования. Перегородки секций
крепятся к оси ротора. Связь пространства
взаимодействия с волноводом осуществляется
через щели.
При частоте вращения ротора 0,14 мин”1
производительность установки составляет
60 порций/ч. Однако в зависимости от требуе-
мой продолжительности тепловой обработки
частота вращения ротора может изменяться в
пределах 0,1...0,5 мин ’.
Техническая характеристика СВЧ-уста-
новки роторного типа приведена ниже.
Производительность в режиме
приготовления, кг/ч............... 40(80)
Мощность, потребляемая от
сети, кВт......................... 5,5
Рабочая частота, МГц.............. 2375
Колебательная мощность, кВт....... 2,5(5,0)
КПД магнетрона, %................. 55(68)
Частота вращения ротора, мин”1.... 0,1...0,5
Габаритные размеры, мм.... 1250х 1050х 1200
Масса, кг......................... 280
В скобках указаны данные при установке
магнетрона мощностью 5 кВт.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МИКРОВОЛНОВОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
677
Для сушки ферментных препаратов, в ча-
стности говяжьего пепсина, используется ус-
тановка непрерывного действия «Гигавак»
(рис. 8.31), представляющая собой герметич-
ную цилиндрическую камеру 7, с торцов за-
крытую крышками 2. Внутри расположен лен-
точный конвейер из радиопрозрачного мате-
риала. Продукт из резервуара 6 насосом-
дозатором 7 подается на форсунку и в виде
дисперсии наносится на ленту 2 конвейера.
СВЧ-энергия от генератора 5 через волновод и
диэлектрическую линзу 4 подается в зону суш-
ки. Температура процесса контролируется бес-
контактным термометром. После окончания
сушки материал измельчается дробилкой 72, а
его остатки на ленте снимаются щеткой 10.
Шлюзовая система 11 установки позволяет
производить непрерывное удаление высушен-
ного материала. Разрежение создается с помо-
щью водокольцевого насоса с эжекторной при-
ставкой.
Вакуумная СВЧ-сушилка для колбас пока-
зана на рис. 8.32.
В состав сушилки входит СВЧ-генератор
7, вакуумная камера цилиндрической формы,
разделенная на рабочую камеру 2 и камеру 8
СВЧ-нагрева, транспортирующий орган 7 с
приводом 5 с зубчатыми роликами, при взаи-
модействии которых с направляющей, выпол-
ненной в виде зубчатой рейки и проходящей
только в камере СВЧ-нагрева, обеспечивается
вращение колбасных изделий в камере СВЧ-
нагрева. Волновод 11 соединен посредством
керамической вставки 10 со щелевым излуча-
телем.
Колбасные изделия навешиваются на пе-
ремещающийся транспортирующий орган 7
через загрузочное окно 3. После полного за-
полнения транспортирующего органа 7 загру-
зочное окно 3 закрывается и герметизируется.
С помощью холодильного агрегата 4 циркули-
рующим хладагентом охлаждаются радиаци-
онные панели 6. Одновременно с помощью
вакуумного насоса 9 в вакуумной камере 2
создается требуемое начальное разряжение.
После включения СВЧ-генератора 1 кол-
басные изделия перемещаются транспорти-
рующим органом 7 из рабочей камеры 2 в ка-
меру 8 СВЧ-нагрева, где нагреваются до за-
данной температуры.
Азимутально-симметричный нагрев кол-
басных батонов осуществляется благодаря
вращению последних в зоне СВЧ-нагрева. На-
гретые колбасные изделия перемещаются
транспортирующим органом из камеры 8 СВЧ-
Рис. 8.31. Схема СВЧ-вакуумной сушилки
«Гигавак»:
1 - герметичная цилиндрическая камера; 2 - лента
конвейера; 3 - бесконтактный термометр;
4 - диэлектрическая линза; 5 - генератор;
6 - резервуар; 7 - насос-дозатор; 8 - форсунка;
9 - крышки камеры; 10 - щетка;
77 - шлюзовая система; 12 - дробилка
Рис. 8.32. Схема вакуумной СВЧ-сушилки
для колбас
нагрева в рабочую камеру 2, где происходит
радиационное охлаждение их поверхности
охлаждающими панелями 6.
Чередующиеся циклы СВЧ-нагрева и вы-
держки-сушки в вакууме, в условиях радиаци-
онного охлаждения проводятся до достижения
требуемой конечной влажности колбасных
изделий. При этом в процессе сушки произво-
дится автоматическая корректировка уровня
подводимой СВЧ-энергии и требуемой степени
разрежения в вакуумной камере.
По окончании процесса сушки выключа-
ются СВЧ-генератор 7, вакуумный насос 9,
холодильный агрегат 4 и осуществляется вы-
грузка готового продукта, аналогично загрузке.
678 Глава 8. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ
В вакуумной СВЧ-сушилке можно совместить
процессы осадки и сушки, для чего перед суш-
кой открывается разделяющая заслонка и в
вакуумной камере с помощью кондиционера
создаются необходимые термовлажностные
условия для проведения процесса осадки.
На рис. 8.33 приведена схема технологи-
ческой СВЧ-линии по изготовлению колбас-
ных изделий без оболочки [1]. Такая линия
содержит вакуумный шнековый питатель 1 для
фарша с насосом 2, диэлектрическую трубу 3,
которая формирует изделие, СВЧ-камеру 6, в
которой фарш подвергается термообработке,
делительное устройство 10, разрезающее гото-
вое изделие на части, упаковочную машину 11,
которая упаковывает изделия в пленку, и ох-
лаждающее устройство 12, понижающее тем-
пературу изделия.
В качестве СВЧ-камеры используется
круглый или диафрагмированный волновод с
расположенной на оси диэлектрической тру-
бой, по которой прокачивается нагреваемый
фарш. Для обеспечения безопасности холосто-
го хода на выходе камеры предусмотрена око-
нечная калориметрическая нагрузка, которая
при необходимости увеличения СВЧ-
мощности в камере может быть заменена на
второй источник СВЧ-энергии. При этом уста-
новка должна быть защищена от включения
генераторов при отсутствии фарша в диэлек-
трической трубе. Система автоматического
регулирования мощности, поддерживающая
постоянной температуру нагрева, состоит из
термопарного измерителя температуры и блока
обратной связи.
Рис. 8.33. Схема технологической СВЧ-линии но
изготовлению колбасных изделий без оболочки:
/ - питатель; 2 - насос; 3 - диэлектрическая труба;
4 - волноводно-коаксиальный переход;
5 - согласованная нагрузка; 6 - СВЧ-камера;
7 - источник СВЧ-энергии; 8- блок обратной связи;
9 - термопара; 10 - делительное устройство;
/ / - упаковочная машина; 12 - охлаждающее устройство
Микроволновые технологии и оборудова-
ние высокоэффективны в процессах размора-
живания и тепловой обработки, сушки и экс-
тракции, бланшировании, копчении, пастери-
зации и стерилизации рыбы и морепродуктов
[8]. Основные преимущества таких технологий
по сравнению с действующими в рыбопро-
мышленной отрасли следующие:
высокая скорость безынерционного на-
грева и сокращение продолжительности техно-
логических процессов в 3 - 100 раз;
значительное улучшение качества и по-
вышение выхода готовой продукции
(на 4...20 %);
бактерицидный эффект и увеличение
сроков хранения продуктов;
экологическая чистота процессов;
полное исключение использования на
технологические цели пара, сжатого воздуха,
воды и затрат на ее очистку;
снижение расхода электроэнергии на
15...50 %;
сокращение производственных площа-
дей;
возможность полной механизации и ав-
томатизации, контроля и регулирования техно-
логических процессов.
Для размораживания рыбы и [идробион-
тов используется СВЧ-установка А1-ФДВ вы-
ходной мощностью 5...50 кВт и рабочей часто-
той 915 МГц. Производительность установки
1200 кг/ч. Удельный расход электроэнергии
при микроволновом размораживании ниже в
1,4 - 2,5 раза и составляет 0,03 кВт/кг, степень
использования тепловой энергии по сравнению
с дефростерами выше в 2 - 4,3 раза. Коэффи-
циент использования СВЧ-оборудования уве-
личивается на 23...37 % и составляет 0,93. При
СВЧ-размораживании нет потерь массы сырья,
качество размороженного полуфабриката и
готовой продукции высокое [9].
Для сушки и стерилизации шинкованного
филе кальмара используется СВЧ-установка
«MICRON» (Япония) выходной мощностью
6,4 кВт и рабочей частотой 2450 МГц (рис.
8.34). Она обеспечивает снижение бактериаль-
ной обсемененности на два порядка (в 100 раз),
улучшает качество и увеличивает срок хране-
ния и реализации деликатесной продукции в
2 раза. На мировой рынок поставляются девять
моделей конвейерных установок типа
«MICRON» мощностью 3...48 кВт и произво-
дительностью 90... 1440 кг/ч. Они широко ис-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МИКРОВОЛНОВОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
679
6 8
Рис. 8.34. СВЧ-установка «MICRON» модель MWC-406:
I - конвейерная лента; 2 - термоэлемент с вентилятором; 3 - смотровые люки; 4 - волновод;
5 - рабочая камера; 6 - пульт управления;
7 - блок привода, натяжения и регулировки скорости конвейерной ленты; 8 - блоки питания с генераторами
пользуются в пищевых производствах для
сушки, размораживания, стерилизации и пас-
теризации продуктов.
Разработана и опробована принципиаль-
но новая технология и микроволновое обору-
дование для обработки мидий, позволяющие
решить энерго- и трудоемкие процессы: от-
крывание створок, бланширование мяса мол-
люсков, удаление биссуса и отделение мяса от
створок [10].
Применение микроволнового оборудова-
ния для обработки мидий по сравнению с тра-
диционными технологиями и линией по произ-
водству варено-мороженого мяса мидий фир-
мы FRANKEN BV (Голландия) позволяет пол-
ностью исключить потребление пара, сжатого
воздуха и воды на технологические нужды, в
4-10 раз сократить процесс обработки, сохра-
нить высокую пищевую ценность и увеличить
выход готовой продукции на 25...40 %, в
1,5-2 раза снизить потребление электроэнер-
гии, в 2 - 3 раза сократить производственные
площади.
8.2.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СТЕРИЛИЗАЦИИ
И ПАСТЕРИЗАЦИИ ШАМПАНСКИХ ВИН
И ВИНОМАТЕРИАЛОВ
Особенности процесса. Степень специ-
фического воздействия СВЧ-энергии на клетку
характеризуется температурным коэффициен-
том /г , отражающим эффективность теплового
воздействия:
2
^Е = ^КЛ/^ср ~ (еср /£КЛ ) (еср/£КЛ ) ’ (811)
где - мощность, поглощаемая в единице
объема клетки; Рс^ - мощность, поглощаемая
в единице объема межклеточной среды;
екл ’ еср ~ мнимые составляющие комплекс-
ной диэлектрической проницаемости соответ-
ственно клетки и среды; 8^, 8ср - действи-
тельные составляющие комплексной диэлек-
трической проницаемости соответственно
клетки и среды.
Экспериментально доказано, что 8^ <8ср
и 8^ >8Ер для дрожжевых клеток и бактерий,
находящихся в жидких средах.
Следовательно, при воздействии задан-
ной дозы электромагнитной энергии в клетке
поглотится большая ее часть, чем в среде, что
дает возможность уничтожить микрофлору при
сравнительно низкой температуре нагревания
среды.
Специфическое свойство СВЧ-энергии
заключается в распределении поглощенной
мощности и, следовательно, температуры меж-
ду клеткой и средой, в которой она находится.
В зависимости от диэлектрических свойств
обеспечивается летальный эффект микрофлоры
при температуре нагрева среды, не превы-
шающей 42 °C.
Объемная плотность отдаваемой мощно-
сти, Вт/м3, в единице объема объекта при на-
гревании СВЧ-полем
PN =0,278-1 (Г10 E2fz’, (8.12)
680 Глава 8. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ
где f - частота, МГц; Е - амплитудное зна-
чение напряженности электрического поля,
В/м3.
Электрическая волна, попадая в диэлек-
трик, ослабляется в направлении ее распро-
странения из-за диссипации энергии, сопрово-
ждающейся выделением теплоты [3]. Энергия,
достигшая значения X, уменьшается на вели-
чину
Р = р(1-е~2ах),
где а-постоянная затухания; а =ле’/
/(Хо л/ё7).
Решая задачу нагрева шампанского в бу-
тылках в СВЧ-поле, необходимо предполо-
жить, что в объеме нагреваемого материала
распределены тепловые источники.
Нестационарный теплоперенос, возни-
кающий в объеме вина под действием СВЧ-
энергии, описывается уравнением теплопрово-
димости [12]:
cpp&/9t=div(-?igrad/)+2(e',tg5,/,E,/),
(8.13)
где X, - удельная теплопроводимость; tgS -
тангенс диэлектрических потерь; 8 - действи-
тельная составляющая диэлектрической посто-
янной; Q - объемная плотность внутренних
источников теплоты.
Величины Ср ,p,X,tg6,8 -существен-
но нелинейны и являются функциями темпера-
туры, поэтому уравнение (8.13) нелинейное.
Первый член в правой части уравнения (8.13)
определяет молекулярный теплоперенос, вто-
рой - описывает процесс выделения теплоты в
объеме за счет диссипации электромагнитной
энергии и, как показал критериальный анализ,
является определяющим в процессе нагрева.
Действительно, критериальное число По-
меранцева, характеризующее соотношение
между мощностью объемных источников теп-
лоты и интенсивностью внутреннего переноса
теплоты при мощностях и частотах, обычно
используемых в СВЧ-печах, имеет порядок
Pq = 104. Поэтому при решении задач СВЧ-
нагрева, особое внимание следует уделять
именно этому члену, который определяется с
учетом поглощения СВЧ-энергии и глубины
проникновения:
Q = 2ti f E280e'tg6x
хехр(-2л/Хо iJl/28,A/tg6xrj, (8.14)
% - глубина проникновения плоской электро-
магнитной волны.
Учитывая, что у стекла 8С=7;
tg8 = 10-3...10 2, у вина 8р =60 и
tg8 = 0,195, установлено, что потери элек-
тромагнитной энергии в стекле на два порядка
меньше, чем в вине.
Таким образом, при изучении общей кар-
тины теплопереноса при СВЧ-нагреве в рамках
одномерной модели, как показали оценки,
можно пренебречь такими явлениями, как от-
ражение и согласование электромагнитной
энергии в слое стекла, а также потерями в нем.
Такой подход обеспечивает учет переменного
во времени теплообмена через поверхность.
Решение нелинейной задачи нестацио-
нарного теплопереноса при воздействии СВЧ-
энергии методом матричной прогонки с шагом
дискретизации пространства h и времени по-
зволяет рассчитать температурные поля для
стандартных бутылок с шампанским объемом
0,4 и 0,8 л при заданных уровнях мощности и
частот СВЧ-нагрева.
Анализ профилей температурных полей
показал, что неравномерность прогрева в от-
дельных точках составляет 6...8 °C. Неравно-
мерность прогрева зависит от геометрических
размеров нагреваемого объекта, причем моле-
кулярный перенос незначительно влияет на
интегральный эффект нагрева и определяется
уровнем мощности и диэлектрическими пара-
метрами нагреваемого объекта.
Численное решение нелинейной задачи
нестационарного теплопереноса в достаточной
степени отражает реально протекающие тепло-
вые процессы нагрева шампанских вин в бу-
тылках за счет диссипации электромагнитной
энергии. Несмотря на некоторые принятые
допущения при численном решении задачи
получалась хорошая сходимость опытных и
теоретических величин, что позволило разра-
ботать методику расчета СВЧ-установки.
Методика расчета конвейерной СВЧ-
установки непрерывного действия для ста-
билизации шампанских вин и виноматериа-
лов в бутылках.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МИКРОВОЛНОВОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
681
1. Мощность СВЧ-генератора установки
определяется ее производительностью.
2. Количество теплоты, необходимое для
нагрева шампанского до температуры tK ,
q = cpm&t,
где т - масса, кг; Д/ - разность температур
перед нагревом и после него, °C.
3. Мощность, необходимая для нагрева-
ния одной загрузки рабочей камеры, кВт,
рв =<?Л,
т - длительность нагревания, с.
Установлено, что при нагреве шампан-
ского в бутылках потеря мощности на нагрев
стекла составляет 10 % полезной мощности
рв-
4. Общая мощность на нагрев шампан-
ского в бутылках
^об ~ +0,1Рв •
5. Мощность генератора установки с уче-
том коэффициента использования установки
Рг=Роь/К,
/<=0,85 - коэффициент использования.
Рабочая СВЧ-камера конвейерной уста-
новки представляет объемный резонатор пря-
моугольного сечения. Размеры рабочей камеры
зависят от формы, размеров и диэлектрических
свойств обрабатываемого продукта и состав-
ляют 1,13x0,3x0,4 м. Начальная температура
бутылок z = 6...8 °C, конечная 32...42 °C, масса
бутылки 1,8 кг, продолжительность нагревания
105 с.
Одной из основных задач при расчете ре-
зонаторов является выбор его размеров, обес-
печивающих возбуждение наибольшего числа
(т, п, р) видов колебаний и резонансной часто-
ты.
Длина волны собственных колебаний
прямоугольного резонатора
Х = 1Д/Я/%/?)2+(/1/Г/,)2+(р//р)2 ,
(8.15)
где т, п, р - число полуволн, укладывающихся
по линейным размерам; Xр ,Yp ,Zp - линей-
ные размеры резонатора.
Для получения наибольшей напряженно-
сти и равномерности электрического поля,
размеры рабочей камеры резонатора рассчиты-
ваются таким образом, чтобы в нем возбужда-
лось максимальное число видов колебаний в
пределах частоты магнетрона.
На частоте 2450 МГц (±2 %) для расчета
наибольшего числа видов колебаний в задан-
ном диапазоне длин волн (Хд-ДХ)<Х<
<(Xq + ДХ), где Xq = 12,6 см и ДХ = 0,525 см,
ранее выбранные линейные размеры резона-
торной камеры необходимо изменить с шагом
± 1 см.
Используя оптимальные геометрические
размеры резонаторной камеры Xp,Yp,Zp,
определяем:
резонансную частоту в заданной полосе
частот fp + &fp
fp= +(n/Yp) +(f/Zp) ;
(8.16)
плотность резонансных частот определя-
ется равномерностью нагревания продукта
dN/dfp = 4nf2PQv/c3 +nf2P0s/c2 + A/(3c),
где dfp - полоса средней частоты; N - число
типов резонансных волн; S=4(XpYp + YpZp +
+ZpXp}- A^[XpYpZp\ с - скорость све-
та; V - объем резонатора, м3; Pq - мощность,
поглощаемая продуктом.
Решение уравнений (8.15) и (8.16) для
всех сочетаний т, п, р при небольших прира-
щениях резонаторной камеры осуществляется
на ЭВМ.
Добротность резонатора СВЧ-установки
характеризует ее резонансные свойства при
нормальной загрузке камеры и определяется по
формуле
e=K/(AKtg8),
где ДИ - объем нагрузки, м3; tg8 - тангенс
угла потерь шампанских вин.
На рис. 8.35 представлена схема непре-
рывно действующей установки для биологиче-
ской стабилизации шампанского в бутылках.
682 Глава 8. ОБОРУДОВАНИЕ Д ЛЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Рис. 8.35. Схема непрерывно действующей установки
для биологической стабилизации шампанского в бутылках:
1 - СВЧ-генератор; 2 - загрузочная звездочка; 3 - вентилятор; 4 - рабочая камера; 5 - разгрузочная камера;
6 - конвейер; 7 - рама
Технологические параметры работы ус-
тановки следующие:
режим подачи бутылок непрерывный с
наполнительным устройством перед входом,
емкостью не менее 25 бутылок;
температура нагрева шампанского в СВЧ-
поле 30...42 °C;
продолжительность нагрева 100... 150 °C.
Техническая характеристика установки
следующая.
Мощность СВЧ-энергии на выхо-
де из источника, кВт, не менее .... 27
Генератор:
рабочая частота, МГц.......... 2450±2 %
питание от сети, В......... 220/380± 10%
отклонение от заданного
уровня мощности при работе
на согласованную нагрузку,
%, не более................ 5
охлаждение источника....... От водопро-
водной сети
давление, МПа, не менее.... 0,2...0,3
исполнение.... Блоки питания и управления
СВЧ-генератора, пульт дис-
танционного управления
Рабочая камера СВЧ-нагрева Объемный
резонатор
прямоуголь-
ного сечения
Внутренние размеры
резонатора, м................. 1,13x0,3x0,4
Температура, °C:
начальная поступающих бу-
тылок .................... 6...8
конечная................... 30...41
Масса каждой бутылки, кг...... 1,8
Продолжительность обработки, с 100... 150
Темп нагрева, °С/с............ 0,266
Для предотвращения утечки поля в окру-
жающее пространство на входе в рабочую ка-
меру и выходе из нее установлены торцовые
улавливающие устройства, представляющие
собой набор экранирующих гребенок из элек-
тропроводящего материала, покрытого слоем
материала с хорошими поглощающими свой-
ствами. Они установлены таким образом, что
не менее четырех гребенок со стороны входа и
выхода постоянно находятся в закрытом поло-
жении. Поэтому утечка СВЧ-энергии не пре-
вышает допустимой установленной нормы
10 Вт/см2.
На входе и выходе из рабочей камеры
расположены шлюзы для загрузки и выгрузки
бутылок.
В нижней части камеры расположен под-
дон и съемный лоток из диэлектрического ма-
териала для сбора и удаления отходов шампан-
ского при возможном разрыве недоброкачест-
венных бутылок с целью их дальнейшей ути-
лизации.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИНФРАКРАСНОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
683
Для удаления влаги из рабочей камеры в
верхней ее части установлены вентиляторы.
Перемещение бутылок внутри рабочей
камеры осуществляется с помощью ленточного
конвейера.
Конвейер для перемещения бутылок
внутри рабочей камеры имеет ленту из диэлек-
трического материала (8=1,2, tg 8 =5-10 4).
Верхняя часть конвейера перемещается в пло-
ской направляющей, изготовленной из фторо-
пласта. Конвейер состоит из приводной и на-
тяжной станции и смонтирован на отдельной
несущей раме.
8.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ
ИНФРАКРАСНОЙ ОБРАБОТКИ
ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
В классификации физических методов
обработки пищевых продуктов инфракрасное
(ИК) оборудование относится к классу элек-
щомагнитого (см. табл. 8.1).
ИК-диапазон волн с одной стороны гра-
ничит с ультрафиолетовым, а с другой - с
СВЧ-диапазоном. Благодаря использованию
при обработке пищевых продуктов совместно с
источниками ИК-излучения также ультрафио-
летовых и СВЧ-генераторов появляются широ-
кие возможности создания пищевого оборудо-
вания нового класса, обладающего высокой
интенсивностью и аккумулирующего эффекты
специфического воздействия каждого из этих
излучений на свойства пищевых продуктов.
Это позволяет целенаправлено формировать в
процессе обработки сырья требуемые качест-
венные показатели готовых изделий и созда-
вать новые пищевые продукты.
8.3.1. ПРИРОДА ИК-ИЗЛУЧЕНИЯ И
ВОЗДЕЙСТВИЕ ЕГО НА ПИЩЕВЫЕ
ПРОДУКТЫ
Энергия ИК-излучения излучается не не-
прерывно, а прерывисто, отдельными порция-
ми. Планк установил, что эти порции зависят
от вида излучений: чем короче длина волны
излучения, тем больше порция энергии. Мате-
матически это выражается формулой
Еф=ЙУ,
где 8ф - энергия кванта; h - постоянная
Планка; h= 6,6262-1 (Г34 (Дж-с); V - частота
излучения.
Переход квантовой системы, которая со-
стоит из электронов, атомов, ионов и молекул,
с одного энергетического уровня на другой
характеризуется или поглощением энергии,
или ее отдачей (излучением).
Если возбужденный электрон переходит с
более высокого уровня с энергией на более
низкий с энергией Е| , то энергия излучаемого
кванта
Бф =hv = E2 -£].
Отсюда следует, что частота излучения,
определяющая его спектральный состав,
v=^.
h
В тепловых источниках излучения, к ко-
торым относятся ИК-излучатели, переход воз-
бужденных атомов с верхних уровней совер-
шается разновременно и на разные уровни.
Вследствие этого испускание квантов энергии
носит беспорядочный, случайных характер, а
излучение имеет разные частоты, фазы и ам-
плитуды, т.е. некогерентно. Оно напоминает
неупорядоченную работу многих радиостан-
ций, создающих хаос в эфире.
Электрон может также приобрести энер-
гию, поглотив ее от внешнего источника, но
при этом он будет поглощать излучение только
избранной частоты. В 1905 г. А. Эйнштейн
ввел представление о том, что излучение со-
стоит из корпускул - фотонов. Согласно этой
гипотезе излучение можно представить себе
как набор частиц - квантов с энергией, про-
порциональной частоте, и с массой , опре-
деляемой по формуле
~ еф /с ’
где с - скорость света.
Различают спектральное (монохромати-
ческое) и интегральное излучения. Спектраль-
ным называют излучение, лежащее в очень
узком интервале волн от X до Х + ДХ . Инте-
гральным (или полным) является суммарное
излучение во всем диапазоне длин волн от 0 до
оо или в достаточно широком интервале длин
волн от до Х,2 .
Закон Планка определяет спектральное
излучение, закон Стефана-Больцмана - инте-
гральное излучение абсолютно черного тела.
Согласно закону Планка спектральная плот-
684 Глава 8. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ
ность потока излучения с длиной волны X и
температурой Т, Вт/м3,
lithe2К 5
Ех,т
( he ] ,
exp --- -1
YkkT)
(8.17)
где к - постоянная Больцмана; к =
= 1,3804-10’23 (Дж/К).
Интегральная плотность лучистого пото-
ка Е-р абсолютного черного тела для всех
длин волн от 0 до оо в зависимости от темпера-
туры Т, Вт/м2,
Х=ОО
ЕТ = J ЕХ,Т<1'к .
Х=0
В результате интегрирования получим
_ 2л2*4 4
-----ГТ7 • vO.l»)
15/? с2
После подстановки постоянных величин полу-
чим
( т V
Ег=5,6696------- . (8.19)
liooJ
Формула (8.18) является математическим
выражением закона Стефана-Больцмана, а
величина Оо= 5,6696-10~8 Вт/(м2-К4) - посто-
янной Стефана-Больцмана.
Анализ уравнения (8.17) показывает, что
при некоторой длине волны Хтах энергия
излучения имеет максимальное значение.
Если вычислить производную dE^ ?/elk и
приравнять ее нулю, то получим
ХтахГ = 2898.
Формула (8.19) является математическим вы-
ражением закона смещения Вина.
Части молекул пищевых продуктов (от-
дельные атомы и группы, составляющие моле-
кулу) имеют собственные частоты колебаний и
вращений, определяющиеся структурой моле-
кулы, массой атомов и характером внутримо-
лекулярных связей. Когда частота падающего
ИК-излучения совпадает с одной или несколь-
кими собственными частотами колебаний или
вращений, происходит поглощение излучения
на этих частотах или длинах волн. Такое по-
глощение называется резонансным. При этом
фотон передает энергию, сам исчезает, энергия
тепловых колебаний атомов и групп, состав-
ляющих молекулу, возрастает и, таким обра-
зом, энергия излучения переходит в теплоту.
В области длины волн примерно 1,3...
2,5 мкм (область «обертонов») поглощение
излучения обусловлено высшими гармониками
колебаний молекул. В области длин волн око-
ло 2,5...25 мкм, т.е. в области колебаний ос-
новных частот, поглощение ИК-излучения
происходит главным образом за счет измене-
ния колебательной энергии молекул.
ИК-нагрев имеет и свои специфические
особенности, которые связаны не только с про-
никновением лучей в глубину материала, но и
с более глубоким воздействием на его молеку-
лярную структуру. Энергия отдельных хими-
ческих связей в молекулах пищевых продуктов
соизмерима с энергией фотонов ИК-излучения.
Квантовое правило (8.17) «расфасовывает»
излучение по разным порциям. Зеленый цвет
имеет порцию энергии около 2,5 эВ, красный -
1,8 эВ, голубой - 3 эВ. Распределение энергии
квантов в зависимости от длины волны излу-
чения показано в табл. 8.6.
8.6. Энергия кванта 8ф , эВ, в зависимости от длины волны к
Бф,эВ к, м 10* ю'е 10'‘1 /О'г 1 юг юч юе юг ю*'
10Ч 101 1 10* 10’* 1ОЧ /0~* 1О~10 X* iff14
Излучение длина волны, X, м Радио-[ Ультракорот^ | Инфракрасные I Видимый свет Ультра-^ 4ТГСНОВСКИ( лучи Гамма Гамма лучи
волны | кие волны | £ лучи Ji фиолетовые лучи | Pet лучи низких энергий ч высоких энергий
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИНФРАКРАСНОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
685
Энергия некоторых химических связей
имеет следующие значения: Н-ОН~5,2 эВ;
Н-СН3 ~ 4,5 эВ; Н-НСН3 ~ 4,0 эВ; Н3С-СН3 ~
- 3,8 эВ; Р2СН2-СООН ~ 2,4 эВ; водородный
мостик ~ 0,2...0,30 эВ; С-Н ~ 4 эВ; С-С ~ 2,5 эВ;
диполи ~ 0,1 эВ; О-Н ~ (0,32...0,48)10’” Дж
(1 эВ = 1,602110”19 Дж). Из сопоставления
энергии химических связей и квантов видно,
что ИК-излучение, вызывая интенсификацию
колебаний определенных групп атомов в моле-
кулах, может оказывать также специфическое
воздействие на пищевые продукты.
В последнее время открыт эффект мно-
гофотонного ИК-поглощения. Благодаря этому
вполне вероятно, что уровень энергии погло-
щения, необходимый для разрыва тех или
иных химических связей, может быть обеспе-
чен при многофотонном ИК-поглощении.
8.3.2. ОПТИЧЕСКИЕ И ТЕРМОРАДИАЦИОННЫЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
Из общего количества энергии излучения
Q, падающего на облучаемый материал в еди-
ницу времени, часть поглощается, часть
Qr отражается и часть Q? пропускается те-
лом:
Q = Qа + Qr + От •
Отношение Qa/Q=A называется по-
глощательной способностью тела, отношение
Qr/Q = R - отражательной способностью, а
отношение Qr /Q — Т - пропускательной спо-
собностью тела (при этом А + R + Т = 1). При-
веденные характеристики являются интеграль-
ными. Однако оптические свойства реальных
материалов зависят от длины волны излучения.
В связи с этим, помимо интегральных разли-
чают спектральные характеристики Ar,Rr и
Tr , соответствующие определенным длинам
волн. Различают также терморадиационные и
оптические характеристики пищевых продук-
тов. К терморадиационным характеристикам
относятся величины, характеризующие свойст-
ва данного материала в целом, частично или
полностью поглощать, отражать и пропускать
падающее извне излучение, а также излучать
энергию. Оптическими характеристиками ма-
териалов являются: коэффициент поглощения
К , коэффициент рассеяния назад 5 и коэф-
фициент эффективного ослабления с [13].
Спектральные и интегральные термора-
диационные характеристики материалов зави-
сят от большого числа факторов: влажности и
температуры, преобладающей формы связи
влаги с материалом, его структуры, полей вла-
госодержания в объекте и т.д.
Наиболее часто для исследования исполь-
зуют ИК-спектрометры и спектрофотометры.
Спектрометры предназначены для получения и
регистрации ИК-спектров однолучевым мето-
дом. Однако этот метод связан с существенны-
ми трудностями: необходимостью отдельной
записи спектра пропускания эталона и образца;
трудоемкостью обработки результатов измере-
ния; высокими требованиями к постоянству
коэффициента усиления приемно-регистри-
рующего устройства; требованиями к постоян-
ству температуры источника излучения; нало-
жением на спектр образца спектра поглощения
атмосферных газов и др. Поэтому наиболее
целесообразным для определения пропуска-
тельных способностей продуктов является
использование двухлучевых спектрофотомет-
ров. Принцип действия этих приборов основан
на нулевом методе [28].
Другой проблемой при измерении спек-
тральных характеристик является то, что в
основном известные методы позволяют изме-
рять Rr и Tr раздельно. Однако при раздель-
ных измерениях Tr и Rr , например влажных
материалов, возникают погрешности, обуслов-
ленные тем, что в процессе эксперимента в них
изменяется распределение влаги по толщине,
изменяется температура, наблюдается непол-
ная воспроизводимость на приборе требуемой
длины волны и др. Поэтому при эксперимен-
тальном исследовании оптических свойств
материалов целесообразно одновременно из-
мерять Rr и Tr двухлучевым методом.
Метод измерения оптических характери-
стик позволяет получить наиболее надежные
результаты, если он удовлетворяет следующим
требованиям: одновременному измерению про-
пускательной и отражательной способностей
материалов; использованию двухлучевого ме-
тода измерений; коллимации на чувствитель-
ном элементе датчика всего полусферического
отраженного и пропущенного лучистых пото-
ков, благодаря чему отпадает необходимость в
предварительном исследовании индикатрис
отражения и пропускания объектов; малой
686 Глава 8. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ
продолжительности эксперимента; возможно-
сти исследования в широком диапазоне длин
волн; использованию одного приемника излу-
чения.
Данные методы измерения и оптические
характеристики пищевых продуктов представ-
лены в [2, 6, 28].
8.3.3. ПРИМЕНЕНИЕ ИК-ИЗЛУЧЕНИЯ
В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Использование ИК-излучения является
одним из прогрессивных методов нагрева раз-
ных объектов, который позволяет решить во-
просы совершенствования существующих и
создания новых энергоресурсосберегающих
экологически чистых теплотехнологий, а также
высокопроизводительного оборудования, спо-
собного обеспечить глубокую, при возможно-
сти безотходную, переработку сырья. Наряду с
этим применение ИК-излучения позволяет
снизить удельные расходы энергии, обеспечить
высокий тепловой КПД установок, повысить
культуру производства и улучшить санитарно-
гигиенические условия работы обслуживающе-
го персонала. Вследствие малой инерционно-
сти и совершенства способа генерации тепло-
вой энергии в ИК-установках возможно созда-
ние гибкой и устойчивой системы автоматиче-
ского регулирования подводимой энергии по
зонам установки и обеспечение, таким обра-
зом, оптимального режима термообработки
материалов.
Важной особенностью ИК-нагрева явля-
ется проникновение излучения в материал на
определенную глубину. Для некоторых пище-
вых продуктов она достигает 7...30 мм. Такое
проникновение лучистой энергии обусловлива-
ет важные особенности внутреннего тепло- и
массопереноса при ИК-облучении. С увеличе-
нием глубины проникновения лучей увеличи-
вается толщина слоя материала, в котором рас-
пределяется подводимая лучистая энергия, и
повышается равномерность полей температуры
в объекте.
Таким образом, при повышении прони-
кающей способности материала можно приме-
нять более высокие интенсивности излучения и
передавать единице объема материала больше
энергии, что заметно интенсифицирует про-
цесс без опасности перегрева поверхности объ-
екта облучения. Для многих пищевых продук-
тов именно в этом заключается одно из основ-
ных преимуществ проникающего коротковол-
нового излучения. Поэтому плотность теплово-
го потока на поверхности материала в 20-
100 раз больше, чем при конвективном методе
его нагрева.
В различных отраслях пищевой промыш-
ленности в настоящее время используется но-
вой класс измерительных приборов, работа
которых основана на спектроскопии в бли-
жайшей ИК-области. ИК-приборы позволяют
значительно сократить время, затрачиваемое на
проведение анализов, и снизить их стоимость.
Благодаря быстродействию и высокому каче-
ству анализов, физические методы позволяют
контролировать состав продукции в процессе
производства, дают возможность эффективно
регулировать ее качество.
В хлебопекарной, мясомолочной, сахар-
ной и других отраслях промышленности ИК-
аппаратура используется для следующего ана-
лиза углеводородов, витаминов, кислот, масел,
жиров, ферментов и белка, дрожжей, сахара в
пищевых продуктах и крахмала в мясных про-
дуктах; обнаружения следов сельскохозяйст-
венных ядохимикатов на фруктах, овощах и
других продуктах; контроля жирности, углево-
дов, содержания воды в масле, влажности при
высушивании молока, концентрации триглице-
ринов в молоке, в масле и др.
В косметической и парфюмерной про-
мышленности ИК-аппаратура позволяет осу-
ществлять: быстрое и надежное сравнение
мелких и часто дорогостоящих образцов без
ухудшения их качества при анализе; анализ
свойств неизвестных веществ и изучение
структуры различных соединений; анализ па-
хучих материалов и изучение их состава, когда
применение обычных методов химического
анализа связано с большой затратой времени, а
иногда и вовсе невозможно; быстрый анализ
смесей ароматических веществ для контроля
качества выпускаемой продукции.
В табачной промышленности ИК-аппа-
ратурой обеспчивается:
быстрое сравнение с образцами сложных
продуктов пиролиза и сгорания табака; бы-
строе определение концентрации альдегидов,
кетонов, аммиака, циана, сероводорода, кон-
денсируемых и неконденсируемых фракций
табачного дыма.
При охране окружающей среды с помо-
щью ИК-техники производят быстрый количе-
ственный и качественный анализ содержания в
атмосфере озона, выхлопных газов, органиче-
ских кислот, в задымленном воздухе продуктов
сгорания органических соединений, оксидов
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИНФРАКРАСНОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
687
азота, нефтяных углеводородов, а также про-
дуктов сжигания мусора и других загрязнений
органического происхождения; непрерывный
или периодический контроль производствен-
ных помещений на наличие взрывчатых и
вредных для здоровья газов диоксида углерода,
метана, этана, пропана, бутана и др.
Следует отметить, что область примене-
ния приборов, основанных на использовании
ИК-лучей, постоянно расширяется (табл. 8.7).
8.7. Области применения ИК-излучения в технологических процессах
пищевой промышленности
Процесс Получаемый продукт, организация процесса
1 2
Выпечка Печенье, кексы, бисквиты, хлеб, пирожные, национальные сорта хлеба, армянский лаваш, узбекские лепешки, грузин- ские трахтинули, шоти и др. В ряде случаев совместно с ВЧ- и СВЧ-электромагнитными полями
Сушка Пшеница, куркуруза, рожь, овес, ячмень; семена кукурузы, бобовых, травы; овощные культуры, пшеничные зародыше- вые хлопья, семена подсолнечника и овощей - порей, мор- ковь, лук и другие; рис (сырец), солод ячменный (белый), солод (красный); фрукты; мука, макаронные изделия, хлеб ржаной (сухари), хлеб пшеничный; сахар рафинад, пастиль- но-мармеладные изделия; картофельные крекеры; драже; чай (лист), табак (лист), лекарственные травы и корни лекарст- венных трав; винно-кислая известь, винные дрожжи; молоко, творог; дрожжи пекарские, цукаты, цитрусовые плоды. С использованием высокотемпературных, среднетемпера- турных и низкотемпературных излучателей; комбинирован- ная терморадиационно-конвективная сушка; комбинирован- ная терморадиационная сушка и обжарка; комбинированная сушка и обжарка ВЧ- и ПК-лучами; сублимационная сушка с ИК-энергоподводом
Сушка-обжарка Сублимационная сушка с ИК-энер- гоподводом Бобы какао; ядра арахиса, миндаля, кунжута; зерна кофе. Комбинированная терморадиационная сушка и обжарка, сушка-обжарка в поле ВЧ- и ИК-лучей Мясо и мясопродукты, плазма крови, фруктово-ягодные по- луфабрикаты (пюре из яблок, черной смородины), дрожжи пекарские, молочные продукты, овощи и фрукты, готовые блюда, рыба, ферменты
Обжарка, копчение, варка и под- сушка при ИК-облучении Батоны из мясного фарша, мясо, рыба, колбасные изделия, рыба горячего копчения (консервирование шпрот, сардин), лещ, морской окунь, мясные рубленные изделия, говяжья печень, шницели, котлеты
Термическая обработка (облуче- ние) с целью получения различ- ных конечных эффектов: улучшение качества продукта Ускоренное созревание свежемолотой пшеничной муки, улучшение хлебопекарных свойств муки из проросшего зер- на ржи и пшеницы, микронизация зерна
688 Глава 8. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Продолжение табл. 8.7
1 2
дезинсекция продукта тепловое кондиционирование очистка от кожицы бланширование при консер- вировании пастеризация и стерилизация интенсификация процессов, протекающих при старении продукта коагуляция оказание бактерицидного дей- ствия эксгаустирование оказание биологического воз- действия интенсификация различных процессов Зерно. Нагрев - сушка зерна после увлажнения Яблоки Мясо, рыба, фрукты, овощи (сельдерей, горошек, хрустящий картофель и др.) Молоко, пиво, фруктовые соки, молоко в бутылках, вино Вино, ликеры Кровяная мука Облучение винограда перед сушкой Консервы в стеклянной таре Дыхание семян Гранулирование, желатинизация ПВХ пластиков, отвержде- ние стеклокомпозиций и т.д.
8.3.4. ИСТОЧНИКИ ИК-ИЗЛУЧЕНИЯ
ИК-излучатели принято разделять на сле-
дующие три группы [15]:
1) высокотемпературные с температурой
излучающего элемента Т > 1773 К - лампы
накаливания, инфракрасные кварцевые трубча-
тые лампы с галогенным циклом и т.д.;
2) среднетемпературные с температурой
излучающего элемента 723 К < Т < 1773 К -
кварцевые и стеклянные трубчатые излучатели,
керамические излучатели различной формы,
некоторые металлические излучатели и т.д.;
3) низкотемпературные излучатели, на-
греваемые до Т < 723 К - трубчатые электри-
ческие нагреватели (ТЭН), керамические, пло-
ские стеклянные и металлические излучатели
и т.д.
Следует отметить, что твердо установ-
ленной и принятой повсеместно классифика-
ции излучателей до сих пор не существует.
В большинстве случаев при характеристике
ИК-установок нет необходимости точно ука-
зывать температуру излучателей. Достаточно
разделить излучатели на две группы: светлые и
темные. Светлые (коротковолновые) излучате-
ли имеют температуру Т > 673 К, они создают
одновременно ИК- и видимое излучение. Тем-
ные (длинноволновые) излучатели имеют тем-
пературу Т < 673 К, и они создают только не-
видимое ИК-излучение.
Источники излучения в ИК-области спек-
тра по физической природе генерации энергии
можно условно разделить на пять групп [5]:
1) источники теплового излучения, гене-
рирующие ИК-излучение при нагреве твердых
тел электрическим током (проводниковые
ИК-излучатели) или газом при его сжигании;
2) электролюминесцентные источники
излучения (газосветные лампы);
3) источники смешанного излучения, в
которых одновременно происходит электро-
люминесценция и температурное излучение
(ртутные лампы высокого и сверхвысокого
давления, электрические дуговые лампы);
4) электромагнитные радиотехнические
источники ИК-излечения, генерирующие
ИК-излучение радиотехническими методами
и являющиеся излучателями далекого ИК-из-
лучения и микроволн;
5) квантово-механические когерентные
источники ИК-излучения, называемые ИК-ла-
зерами.
В ИК-установках пищевой промышлен-
ности в настоящее время используется в ос-
новном первая группа излучателей, поэтому в
дальнейшем будут рассмотрены только источ-
ники теплового излучения. Классификация
электрических проводниковых ИК-излучателей
представлена на рис. 8.36, газовых ИК-излу-
чателей - на рис. 8.37.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИНФРАКРАСНОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
689
Электрические
проводниковые ИК-излучатели
3
I
с открытым излучающий
элементом
с телом накала в стеклянной
оболочке
с различными хактеристи-
ками( оптическими, механичес-
кими, электрическими) излуча-
ющей оболочки
о
§
3
3
s:
i
I
il
3
з
1
i
3
S
3
!• ч
£ S
3
S
§
г
3
!
i
I
I §
3 2
о
I *
з =
| g
3
Я
Е
Рис. 8.36. Классификация электрических проводниковых ИК-излучателей
Рис. 8.37. Классификация газовых ИК-излучателей
Излучатели характеризуются: лучистым
КПД, характером распределения лучистого
потока в пространстве, сроком службы, тепло-
вой инерционностью, спектральным составом,
стойкостью к воздействию влаги и химических
веществ, устойчивостью к механическому воз-
действию и термическим ударам, стабильно-
стью характеристик.
Некоторые типы электрических и газовых
ИК-излучателей представлены на рис 8.38 [9].
Трубчатые электронагреватели (ТЭН)
представляют собой нагревательную спираль,
запрессованную в изоляционный материал
(периклаз, кварцевый песок) с высоким коэф-
фициентом теплопроводности и помещенную в
металлическую трубку круглого или овального
сечения. Отечественные заводы выпускают
электронагреватели серии НСЖ, НМЖ,
НММЖ. НИ, НПЖ, НВС, НВСЖ, ТЭН, НВГ,
НВГЖ, НВ, НВЖ и ЭТ. Мощность этих нагре-
вателей от 50 Вт до 25 кВт, длина от 250 мм до
6,3 м, рабочее напряжение от 12 до 380 В.
Силитовые генераторы ИК-излучения
изготовляются из полупроводниковых химиче-
690 Глава 8. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ МАТ ЕРИАЛОВ
Рис. 8.38. Схемы устройства генераторов ИК-нзлучення:
а - ТЭН: I - контактный стержень; 2 - фарфоровый изолятор; 3 - втулка; 4 - трубка; 5 - спираль;
6 - периклаз; б, в - силитовые генераторы: 7 - рабочая часть; 2 - пассивный конец; 3 - контактное напыление;
г - биспираль на керамичечской трубке: 1 - отверстие; 2 - трубка; 3 - спираль; 4 - контактная пластина;
д, е - КГ 220-2500: 7 - ввод; 2 - цоколь; 3 - фольговое звено; 4 - молибденовый ввод; 5 - кварцевая трубка;
6 - спираль; 7 - вольфрамовая поддержка; ж - лампа ИКЗ: 1 -цоколь; 2 - внутреннее покрытие; 3 - спираль;
4 - стеклянная колба; з, и - газовая горелка ИК-излучения: 1 - форсунка; 2 - конфузор; 3 - горловина;
4 - диффузор; 5 - насадка; 6 - каналы; 7 - распределительная коробка; к - кварцевый генератор с хромникеле-
вой спиралью: 1 - вывод; 2 - керамический изолятор; 3 - спираль; 4 - трубка
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИНФРАКРАСНОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
691
ских соединений, обладающих повышенным
удельным сопротивлением (рис. 8.38, б, в). В
силитокерамическом спеке, полученном на
основе карбида кремния с добавкой углерода,
это свойство сочетается с высокой нагрево-
стойкостью. Концы силитовых генераторов
могут быть большего диаметра по сравнению с
рабочей частью либо иметь тот же диаметр
(рис. 8.38, б). Длина генераторов с утолщением
от 85 до 800 мм, диаметр рабочей части 4...25
мм, мощность генераторов 180...7000 Вт, на-
пряжение 30...75 В. Генераторы постоянного
диаметра имеют дину 320... 12220 мм, диаметр
12...32 мм, напряжение 50... НО В, мощность
900....8800 Вт.
Излучатели с открытым металлическим
излучающим элементом представляют собой
спирали или ленту из нихрома или другого
токопроводящего материала, уложенные в спе-
циальные пазы или опирающиеся на вставлен-
ные в них стержни из изоляционного материа-
ла (рис. 8.38, г).
Кварцевые трубчатые лампы с йодным
циклом представляют собой цилиндрическую
трубку из кварцевого или термостойкого стек-
ла, по оси которой монтируется много-
спиральный или биспиральный излучающий
элемент накаливания из вольфрамовой прово-
локи (рис. 8.38, д). Эти лампы изготовляют
мощностью от 100 Вт до 20 кВт на напряжение
от НО до 960 В. Поверхностная удельная на-
грузка составляет 30...400 кВт/м2, линейная
удельная нагрузка 1....30 кВт/м2 Некоторые
типы ламп (КИО) имеют отогнутые выводы,
что позволяет монтировать цоколи ламп за
пределами рабочей камеры и охлаждать их
потоками холодного воздуха (рис. 8.38, е).
Зеркальные лампы накаливания пред-
ставляют собой стеклянную колбу с внутрен-
ним зеркальным покрытием, в которую поме-
щена вольфрамовая спираль (рис. 8.38, ж).
Мощность ламп 125... 1550 Вт, номинальное
напряжение 100...250 В.
Кварцевые излучателя с нихромовой спи-
ралью отличаются от описанных выше ламп
материалом излучающего элемента и тем, что в
кварцевой трубке атмосферное давление (рис.
8.38, к). Эти излучатели выпускают мощно-
стью 500...7500 Вт. Некоторые конструкции
этих излучателей могут работать в условиях
вибрации, ударов, а также в режиме частых
выключений. В качестве излучающего элемен-
та в кварцевых трубках предлагается использо-
вать различные углеграфитовые материалы:
углеродистые углепроводящие ткани на основе
химических волокон; полимерные токопрово-
дящие покрытия на основе полиуретанового
связующего и графита; другие композиции,
включающие графит, лапрол и др.
Перспективными высокотемпературными
материалами являются соединения переходных
металлов IV - VI групп периодической систе-
мы элементов с бором, углеродом и сплавы
этих элементов друг с другом.
В ИК-установках пищевой промышлен-
ности с газовыми ИК-излучателями в подав-
ляющем большинстве случаев используется
беспламенное сжигание газа в специальных
горелках (рис. 8.38, з, и): оно достигается по-
средством предварительного образования газо-
воздушной смеси и ее подогрева до температу-
ры воспламенения. Непосредственным источ-
ником ИК-излучения в беспламенных горелках
является раскаленная поверхность огнеупорно-
го керамического элемента (насадки), вблизи
которого происходит горение газовоздушной
смеси.
8.3.5. ХАРАКТЕРИСТИКИ
ИК-ОБОРУДОВАНИЯ
Классификация ИК-оборудования, при-
меняемого в пищевой промышленности, при-
ведена в табл. 8.8. Характеристика основных
типов ИК-оборудования приведена в табл. 8.8. -
8.10.
8.8. Классификация ИК-установок пищевой промышленности с ИК-нагревом
Признак классификации Наименование
1 2
Энергоноситель Электрические, газовые и твердотопливные
Исполнение Закрытые и открытые, стационарные и передвижные
Давление в рабочем про- странстве Атмосферные, вакуумные и сублимационные
Режим работы Периодического и непрерывного действия
692 Глава 8. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Продолжение табл. 8.8
1 2
Принцип перераспределе- ния лучистого потока в рабочей камере С излучающей поверхностью, собранные из отдельных облучатель- ных приборов, с блочной компоновкой излучателей и общим отра- жателем
Способ подвода энергии и теплоты к материалу Лучистого нагрева, радиационно-конвективного нагрева, комбини- рованного нагрева: лучистого в электрическом поле различной час- тоты
Технологическое назначе- ние Приготовление различных видов продуктов, подогрев или сохране- ние в горячем состоянии, сушка, размораживание, специальное назначение термической обработки (дезинсекция, стерилизация, пастеризация и т.д.)
Вид обрабатываемого ма- териала Кусковой, ленточный, тестообразный, пастообразный, сыпучий, жидкий раствор, пылевидный
Конструкция Камерные, шкафные, ленточные, конвейерные, вальцовые, вибра- ционные, барабанные, трубчатые и тоннельные
8.9. Характеристика основных типов ИК-оборудования
Наименование ИК-установки (рис. 8.39) Краткое описание Область применения
1 2 3
Камерная (рис. 8.39, а) Установки периодического дей- ствия с камерой прямоугольной либо цилиндрической формы, внутри которой на вагонетках или подвесных полках помеща- ется материал, подвергаемый термообработке и остающийся неподвижным в течение всего процесса Сушка овощей, фруктов, творога, пчелиного молочка, мяса, плазмы крови, фруктово-ягодных полу- фабрикатов, пекарских дрожжей, молочных продуктов; выпечка мелкоштучных хлебобулочных изделий
Рис. 8.39. Типовые конструкции ИК-оборудования пищевой промышленности:
а - сублимационная установка камерного типа;
б - печи шкафного типа для выпечки мучных кондитерских изделий;
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИНФРАКРАСНОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
693
Продолжение табл. 8.9
1 2 3
Шкафная (рис. 8.39, б) Шкафные установки периодиче- ского действия, отличающиеся от камерных тем, что имеют мень- шую производительность и мате- риал размещается на полках или развешивается в рабочей камере Жарение мяса, рыбы, птицы, шашлыков: обжаривание кофе; сушка плодов и овощей; выпечка хлеба, кондитерских и мелких хлебобулочных изделий; варка, копчение, шнскание и сушка мясных изделий; гепловая обра- ботка мучных и кондитерских изделий в пиццериях
Ленточная (рис. 8.39, в) Установки непрерывного дейст- вия, состоящие из камеры, внут- ри которой обрабатываемый ма- териал перемещается на одной или нескольких лентах, имеющих различные направления Стерилизация, сушка пастило- мармеладных изделий, чая, рыбы, зерна, винно-кислой извести, кус- кового сахара; выпечка сдобных и соленых палочек, печенья, кек- сов, бисквитов, хлеба, хлебобу- лочных изделий широкого ассор- тимента; обжаривание овощёй; микронизация зерновых культур; бланширование рыбных консер- вов; жаренье котлет и полуфаб- рикатов из мяса
3800
г)
Рнс. 8.39. Продолжение:
в - хлебопекарная печь ПИК-8 ленточного типа: 1 -
приводная станция; 2 - сетчатый под, 3 - пекарная
камера; 4 - блок нагревателей (ТЭНов); 5 - блок
излучателей; 6 - натяжная станция; 7 - вытяжная
система; 8 - пароподводящая трубка; 9 - секция
увлажнения; 10 - сетчатый под увлажнительного
устройства; г - конвейерная сушилка этикеток на
стеклотаре: 1-3 - конвейеры; д - ИК-печь барабанного
типа для обжарки кукурузных хлопьев: / - корпус;
2 - электропривод; 3, 6 - соответственно разгрузочное
и загрузочное устройство; 4 - вращающийся барабан;
5 - блок излучателей
694 Глава 8. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Продолжение табл. 8.9
1 2 3
Конвейерная (рис. 8.39, г) Установки непрерывного дейст- вия, состоящие из камеры, внут- ри которой обрабатываемый ма- териал передвигается на несущем конвейере, перемещающемся по нелинейной траектории Выпечка широкого асстортимен- та хлеба и хлебобулочных изде- лий, обжаривание рыбы и рыб- ных палочек, сушка пастило- мармеладных изделий; выпечка национальных сортов хлебных изделий и соломки; копченье кильки, салаки, сардины, ставри- ды и других продуктов; подсуш- ка рыбы, жаренье и варка мяса, рыбы, овощей, грибов и др.
Барабанная (рис. 8.39, <)) Установки непрерывного дейст- вия, имеющие горизонтальный или наклонный цилиндрический или конический вращающийся барабан. Во время вращения ба- рабана внутри него перемешива- ется облучаемый материал Сушка лука; обжарка кукурузных хлопьев и орехов; выпечка ва- фельных трубочек и др.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИНФРАКРАСНОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
695
Продолжение табл. 8.9
1 2 3
Вальцевая (рис. 8.39, е) ИК-излучение используется для нагрева изнутри поверхности вальца. Сушка и выпечка произ- водится за счет передачи теплоты продукту через нагретую поверх- ность. Основным преимуществом вальцевых установок является значительная интенсивность пе- редачи теплоты от горячей по- верхности к продукту, благодаря чему он быстро обезвоживается или выпекается. Этот способ отличается малыми затратами энергии, сравнительной просто- той ИК-установок и невысокой стоимостью оборудования Выпечка блинной ленты, тонкого армянского лаваша и др.
Тоннельная (рис. 8.39, ж) Установка полунепрерывного действия с удлиненной камерой, внутри которой облучаемый объ- ект перемещается через опреде- ленные промежутки времени в продольном направлении Электрокопчение мясопродуктов; сушка жести и др.
Вибрационная (рис. 8.39, з) Обеспечивает разрыхление и перемешивание слоя материала в процессе термообработки. Это позволяет применять высокие плотности облучения материала без опасности перегрева верхнего слоя и использовать комбиниро- ванный способ энергоподвода: ИК-облучение и конвективный нагрев воздухом, подаваемым через сетчатый под установки Сушка, кондиционирование и дезинсекция зерна; сушка корот- корезанных макароных изделий; обжарка овощей; сушка овощей и фруктов; нанесение жидких вку- совых добавок на экструдаты и др.
Трубчатая (рис. 8.39, и) Производится термообработка жидких пищевых продуктов, движущихся в трубках, стенки которых проницаемы для ИК- излучения Пастеризация жидких пищевых продуктов (молока, вина, соков и др.); обеззараживание молока от возбудителей туберкулеза, бру- целлеза и др.
<- Рис. 8.39. Продолжение:
е - вальцевая печь для выпечки тонкого армянского лаваша: / - цилиндрический под; 2 - трубчатая ось;
3 - трубчатый электронагревателель; 4 - отражатель; 5 - лаваш; 6 - блок излучателей; 7 - корпус печи;
ж - печь для сушки лакированной жести тоннельного типа: / - внутренняя стенка; 2 - теплоизолятор;
3 - наружная стенка; 4 - устройство для изменения высоты расположения излучателей; з - вибрационная уста-
новка для нанесения жидких вкусовых добавок на экструдаты: / - сетчатый под; 2 - воздушный короб;
3 - электрокалорифер; 4 - вентилятор; 5 - блок излучателей; 6 - распылительное устройство; 7 - дозатор
добавок; 8 - компрессор; и -установка для пастеризации соков трубчатого типа: I - камера; 2 - труба из боро-
силикатного стекла; 3 - ИК-излучатели; 4 - обратный клапан; 5 - змеевиковый подогреватель
696 Глава 8. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ
8.10. Характеристика типовых ИК-установок пищевой промышленности
Тип установки Назначение Тип ИК- излучателя Установ- ленная мощность Производитель- ность Размеры, мм
длина ширина высота
1 2 3 4 5 6 7 8
Камерные установки
Агрегат АВТ-1 Производство воздушных из- делий из теста Светлый 150 100... 170 кг/ч 8.2 3,1 4,6
Сублимационная установка В2-ФСБ (СУ-3,0) Сушка сырого и вареного мяса, фарша, творога и др. Темный 628 0,8 т/сут. 8,49 5,14 4,80
Комплекс блоч- ных сублимаци- онных сушилок КБСВ-1000 290 8,84 т/сут. 3,82 2,45 5,32
Печь кондитер- ская ПКЭ-9 Выпечка кон- дитерских и хлебобулочных изделий 35,5 187 кг/ч 2,0 1,62 2,25
Ротационная печь ИЭТ-74-И1 Выпечка хлебо- булочных изделий ТЭН 71 179 кг/ч 1,77 2,63 2,66
Электрический гриль ГЭ-15 Жаренье кур Шкафн! ТЭН >ie уставов! 15,0 КН 21...42 кг/ч 1,0 1,0 2,2
Пекарский элек- трический шкаф ШПЭСМ-3 Выпечка кон- дитерских и хлебобулочных изделий 15,6 - 1,2 1,04 1,63
Печи с электро- обогревом: РЗ-ХПЕ РЗ-ХПГ РЗ-ХПИ Выпечка фор- мового ржано- го и пшенично- го хлеба, бу- лочных и мел- коштучных из- делий 20 30 14,4 71 кг/цикл 107» 41 » 1,26 1,26 0,97 1,24 1,24 0,82 1,5 1,8 1,8
Ленточные установки
Микронизатор зерновых культур Приготовление завтраков, производство диетических продуктов Светлый 28...30 кВт/м2 2...3т/ч 5,5 0,8 1,5
ПИК-8 Выпечка сдоб- ных и соленых палочек, рож- ков, булочек, заготовок бисквитных пирожных Светлый и темный 135 108...390 кг/ч 13,65 1,85 1,55
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИНФРАКРАСНОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
697
Продолжение табл. 8.10
1 2 3 4 5 6 7 8
Кондитерская печь А2-ШПЗ Выпечка пи- рожных типа «Эклер», ромо- вых баб, пече- нья и др. ТЭН 44 17,5...20,9 кг/ч 12,81 1,5 2,0
Печь Ш2-ХПА-10 Выпечка широ- кого ассорти- мента хлеба и булочных изделий 75 284,7...409,6 кг/ч 4,23 3,54 1,92
Конвейерная печь с электро- обогревом ли- нии 2981М Выпечка солом- ки - 45 кг/ч 20,4 1,22 2,07
Установка для обжарки ядер ореха барабан- ного типа Обжарка орехов в кондитерском производстве 25 500 кг/ч 2,1 1,1 1,5
Вальцевый ап- парат ЛБН-1 Выпечка блин- ной ленты и на- резание загото- вок Газовый, ИК-излуча- тель - 750 0,92 0,96 1,52
Вибрационная ВИУ-1 Нанесение вку- совых добавок на водной осно- ве на экструда- ты, сушка ово- щей, фруктов и др. Светлый 40 90 кг/ч 5,0 1,0 2,0
Трубчатый электропасте- ризатор для мо- лока А1-ОПЭ Пастеризация молока и обез- зараживание от возбудителей туберкулеза и бруцеллеза 20 1000 л/ч 1,65 0,95 2,5
8.3.6. РАСЧЕТ ИК-ОБОРУДОВАНИЯ
Расчет ИК-оборудования включает в себя
три части. Первая часть расчета представлена в
виде алгоритма [27], который определяет коли-
чество испаренной воды, габаритные размеры
ИК-установки (ширину, высоту, длину), уста-
новленную мощность излучателей, температу-
ру внутренних поверхностей рабочей камеры
(боковой, верхней и нижней) и количество
экранов перед внутренними поверхностями
(перед боковой «2 и верхней /73), которые
позволяют снизить потери теплоты наружными
поверхностями установки до требуемого уров-
ня у.
Найденное число излучателей необходи-
мо размещать с учетом внутреннего тепло- и
массопереноса. Этому посвящена вторая часть
расчета. Она позволяет учесть характеристики
оборудования (длину, скорость перемещения
материала, производительность установки),
физические характеристики материала (плот-
ность, коэффициент теплопроводности, тепло-
емкость), оптические свойства материала (ко-
эффициент эффективного ослабления), условия
698 Глава 8. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ
массоотдачи от поверхности материала в среду
рабочей камеры влаго- и термовлагопровод-
ность материала и т.д. Определяются неста-
ционарные поля температуры и влагосодержа-
ния в объекте облучения и кинетика энерго-
подвода в рабочей камере, обеспечивающая
оптимальные режимные параметры термооб-
работки.
В третьей части расчета решается вопрос
рационального размещения излучателей над
материалом, при котором обеспечивается рав-
номерное распределение лучистого потока на
поверхности облучаемых изделий. Поля энер-
гетического облучения (ПЭО) на поверхности
изделий зависят от размера изделий, их формы
(плоской, цилиндрической, сферической и
т.д.), высоты размещения излучателей над по-
дом, шага между излучателями, расстояния
между излучателями и экранами, количества
блоков излучателей, числа излучателей в каж-
дом блоке, длины и эквивалентного диаметра
излучателей, его эмиссионных характеристик
и т.д.
8.4. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ
ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОЙ ОБРАБОТКИ
8.4.1. ЭЛЕКТРОПЛАЗМОЛИЗАТОРЫ
Биофизическая сущность процесса.
Процесс электроконтактной обработки пище-
вых продуктов с целью интенсификации прес-
сового способа извлечения сока из раститель-
ного сырья называют электроплазмолизом.
Предварительная обработка растительно-
го сырья переменным током промышленной
частоты напряжением 220 В ведет к практиче-
ски мгновенной гибели протоплазмы, увеличе-
нию сокоотделения при последующем прессо-
вании. При этом электроплазмолиз не вызыва-
ет (в отличие от термоплазмолиза) разрушения
клеточных стенок, исключая переход пектино-
вых веществ в сок и способствует разрыву
плазменных оболочек на более крупные части-
цы, которые легко задерживаются клеточными
стенками при извлечении сока [16]. Эффектив-
ность электроплазмолиза зависит от ряда фак-
торов: градиента напряжения, длительности
обработки, температуры и электрофизических
свойств сырья и практически не зависит от
частоты электрического тока.
При электроплазмолизе возрастает элек-
тропроводность растительной ткани, при этом
максимум силы тока соответствует полному
разрушению протоплазменных оболочек. Вре-
мя, которое проходит от начала пропускания
тока до достижения им максимального значе-
ния, является важнейшим показателем процес-
са при конструировании и расчете электро-
плазмолизаторов [18].
Аппаратурно-технологическое оформ-
ление процессов электроплазмолиза. Много-
образие типов электроплазмолизаторов обу-
словлено широким спектром сырья (его элек-
трофизических свойств), технологией прессо-
вания, в том числе, с предварительным измель-
чением, а также инженерными решениями
электродных систем.
Валковый электроплазмолизатор - это
наиболее простой тип устройства (рис. 8.40, а).
основными рабочими органами которого явля-
ются два металлических рифленых вальца,
вращающихся навстречу друг другу в электри-
чески изолированных подшипниках. К валкам
подводится электрический ток промышленной
частоты. Попадая между валками, сырье сжи-
мается и одновременно подвергается электри-
ческой обработке.
В аппаратах камерного типа (одно- и
многоярусных) за основу конструкции принята
прямоугольная камера с сетчатым дном-
электродом (рис. 8.40, б, в). Вторым электро-
дом является верхняя подвижная крышка, из-
меняющая при вертикально-поступательном
перемещении давление на прессуемую массу.
Установки конвейерного типа включают
две бесконечные конвейерные ленты, сбли-
жающиеся в зоне обработки (рис. 8.40, г). На
несущем (нижнем) конвейере - электроде за-
креплены емкости, заполняемые исходным
сырьем, в которые синхронно входят электро-
ды-прессы, расположенные на втором (верх-
нем) конвейере.
В конструкциях шнекового типа элек-
тродную систему образуют разноименно заря-
женные шнек и корпус с отверстиями (рис.
8.40. б).
В оригинальной конструкции электро-
плазмолизатора для семечковых плодов цен-
тробежного типа (рис. 8.40, е) сырье под дейст-
вием центробежных сил попадает на вращаю-
щийся барабан, составленный из ножей тре-
угольной формы. Внутри барабана расположе-
ны три свободно вращающихся ролика. Бара-
бан является одним из электродов, ролики -
другим. Попадая между роликами и ножевой
стенкой, сырье измельчается и одновременно
подвергается электрической обработке.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОЙ ОБРАБОТКИ
699
Рис. 8.40. Типы электроплазмолизаторов:
а - валковый; б - камерный одноярусный; в - камерный многоярусный; г - конвейерный;
д - шнековый; е - центробежный; ж - линейный; з -- импульсный
Линейный электроплазмолизатор, ис-
пользуемый для увеличения продолжительно-
сти воздействия электрического тока на сырье,
выполнен в виде электрически изолированного
канала с заделанными заподлицо со стенками
графитовыми электродами (рис. 8.40, ж). В
начале и в конце аппарата расположены емко-
сти соответственно для приема и слива обрабо-
танной мезги. Данная конструкция обеспечива-
ет одинаковую плотность электрического тока
по всей плоскости поперечного сечения пото-
ка, что гарантирует отсутствие перегрева про-
дукта.
В аппарате импульсного электроплазмо-
лизатора рабочая камера выполнена в виде
цилиндра с отверстиями, по образующей кото-
рого располагаются два электрода, соединен-
ных с генератором импульсов тока (рис. 8.40,
з). Последний подает в рабочий объем импуль-
сы по заданной программе.
Электроплазмолизаторы специальных
конструкций. Для работы при градиенте на-
пряжения в 50...350 В/см и слое обрабатывае-
мого сырья всего в десятки миллиметров пред-
назначен барабанный аппарат, несущей кон-
струкцией которого является корпус с встроен-
ным в него барабаном с тремя рядами подвиж-
ных лопастей и тремя электродными перфори-
рованными пластинами с отверстиями. В верх-
ней части корпуса расположен бункер 4 (рис.
8.41, а). Рабочая поверхность бункера и лотков
облицована изоляционным материалом. Ось
барабана электрически не связана с ним, так
как между боковинами и фланцами имеются
изоляционные прокладки.
Диэлектрические боковины 5 электрод-
ных пластин с отверстиями закреплены на оси,
что дает возможность регулировать зазор меж-
ду барабаном и пластинами с помощью регу-
лировочных болтов. На оси установлен токо-
приемник, который соединен проводом, про-
пущенным внутри оси, с боковой стороны ба-
рабана. При помощи клеммной коробки элек-
тродные пластины подключаются к трехфазной
сети переменного тока. Нулевой провод подво-
дится к кольцевому токосъемнику, изолиро-
ванному от оси изоляционной втулкой.
В электроплазмолизаторе предусмотрена
подставка, на которой закреплены электропри-
вод и редуктор. Барабан плазмолизатора со-
единен с редуктором цепной передачи. Обяза-
тельным условием эксплуатации является на-
дежное заземление корпуса и подставки плаз-
молизатора.
При конструировании аппарата следует
учитывать возможность его синхронного
функционирования в технологической линии.
Поэтому конструкционные размеры электро-
плазмолизатора - диаметр барабана, ширина и
высота лопастей определяют его габаритные
размеры и производительность:
Q = 60 dbhrnt pip,
700 Глава 8. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Рис. 8.41. Схемы конструкций электроплазмолизаторов:
а - однобарабанного: 1 - корпус; 2 - барабан; 3 - подвижные лопасти; 4 - бункер;
5 - диэлектрическая боковина; б - для извлечения сока из мезги: / - барабан; 2 - лопасть; 3 - прижимное сито;
в - для резки и плазмолиза свеклы: 1 - корпус; 2 - ножи; г - дисковый: I - камера; 2 - диск;
д - вакуумный: I - уплотняющий конвейер; 2 - сырьевой конвейер; 3 - опорный конвейер
где d - диаметр барабана, м; b - ширина
лопасти барабана, м; h - высота лопасти бара-
бана, м; п - частота вращения барабана, мин-1;
р - плотность продукта, кг/м3; - коэффи-
циент заполнения лопасти барабана.
Рабочий орган электроплазмолизатора
для извлечения сока из мезги выполнен также в
виде барабана 1 с расположенными на его по-
верхности по окружности несколькими рядами
подвижных лопастей 2 (рис. 8.41, б). Корпус -
секционный. Каждая секция корпуса установ-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОЙ ОБРАБОТКИ
701
лена напротив соответствующего ряда лопа-
стей на барабане, частично охватывая его [17].
На цилиндрической поверхности барабана
имеются три ряда лопастей. Секционный кор-
пус выполнен в виде прижимных сит, которые
спрофилированы так, что зазор между ситом и
барабаном постепенно уменьшается книзу.
Каждое прижимное сито изолировано от со-
седнего диэлектрическими кольцами, что обес-
печивает подключение электроплазмолизатора
к трехфазной сети переменного тока (произво-
дится с помощью токосъемника, который так
же, как и барабан, изолирован от общей оси и
электрически соединяется с барабаном). Ста-
нина электроплазмолизатора заземляется.
Особенность конструкции аппарата, со-
вмещающего электроплазмолиз с измельчением
сырья (свекла и другие овощи) состоит в том,
что под ножами дисковой резки установлены
изолированные от ее корпуса пружинные кон-
такты, к которым подведен ток одного знака, а
в качестве второго контакта использованы но-
жи 2 (рис. 8.41, в) [3]. Электроплазмолизатор
выполнен в виде горизонтальной резки с бун-
кером, в котором под колпаком расположен
электродвигатель. В корпусе 1 электроплазмо-
лизатора установлен диск с ножами 2, высту-
пающими из его щелей. Под ножами установ-
лены изолированные от корпуса пружинные
контакты.
Конструкция дисковой установки для об-
работки виноградной мезги, позволяющая уве-
личить продолжительность обработки продук-
та, включает загрузочный бункер, размещен-
ную под ним камеру 1 с электродами, пред-
ставляющими собой диски 2, укрепленные на
параллельных вращающихся валах (рис. 8.41, г).
С внешней стороны диски с валами закреплены
в кожух. Они установлены на валах таким об-
разом, что диски одного вала входят в проме-
жутки между дисками другого. Стенки камеры
выполнены с прорезями для прохода дисков и
изготовлены из диэлектрического материала. К
валам при помощи скользящих контактов под-
ведено напряжение. Продолжительность обра-
ботки сырья регулируют путем изменения час-
тоты вращения валов с дисками.
Конструкция вакуумного электроплазмо-
лизатора, воздействующего на продукт одно-
временно электрическим током и вакуумом,
состоит из сырьевого 2, уплотняющего 1 и
опорного 3 конвейеров (рис. 8.41, д). Сырьевой
конвейер выполнен с ячейками для сырья. На
уплотняющем конвейере шарнирно закреплены
вакуумные колпаки, соединенные с вакуумной
системой. Внутри этих колпаков установлены
подпружиненные уплотняющие плиты. Каж-
дый колпак имеет четыре ролика, с помощью
которых он кагится по направляющим. Опор-
ный конвейер выполнен в виде бесконечной
тяговой цепи с шарнирно укрепленными на ней
опорными плитами, каждая из которых также
имеет четыре ролика, с помощью которых она
катится по направляющим.
Электродами, через которые подводится
электрический ток, являются уплотняющие
плиты и прикрепленная снизу к сырьевому
конвейеру стальная лента. Она одновременно
является и дном ячеек сырьевого конвейера.
Уплотняющие плиты могут быть выполнены из
коррозионно-стойкой стали или графита. От
колпака они изолируются изоляторами.
8.4.2. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ АКТИВАЦИИ
ХЛЕБОПЕКАРНЫХ ДРОЖЖЕЙ
Основным поставщиком диоксида угле-
рода в полуфабрикатах хлебопекарного произ-
водства, как правило, являются дрожжевые
клетки. Нормальная жизнедеятельность клетки
возможна только при условии обеспеченности
среды необходимыми составными веществами
и упорядоченной работы их транспорта через
клеточные мембраны.
Известны три способа транспорта эле-
ментов через клеточные мембраны: пассивный,
сопряженный и активный.
Пассивная диффузия представляет собой
транспорт веществ через мембрану из области
с высокой концентрацией в область с низкой
концентрацией. Скорость диффузии пропор-
циональна общей движущей силе, которая ха-
рактеризуется разностью концентраций по обе
стороны мембраны.
Некоторые полярные вещества клеток
очень легко преодолевают мембранный барьер.
Одним из механизмов, объясняющих такое
аномальное поведение полярных веществ, яв-
ляется сопряженный транспорт, согласно
которому субстрат на наружной поверхности
мембраны соединяется с молекулой перенос-
чиком. Образовавшийся комплекс далее диф-
фундирует к другой поверхности мембраны и
там расщепляется, выделяя перенесенную мо-
лекулу во внутренний объем клетки. Эти носи-
тели получили название пермеазы.
702 Глава 8. ОБОРУДОВАНИЕ Д ЛЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Для активного транспорта характерно:
во-первых, движение составных элементов
против их химического градиента, т.е. из об-
ласти с низкой концентрацией в область с вы-
сокой концентрацией; во-вторых, затраты ме-
таболической энергии; в-третьих, значительное
превышение скорости переноса глюкозы и
аминокислот по сравнению с пассивной диф-
фузией.
Как известно, транспорт ионов через кле-
точные мембраны тесно связан с другими про-
цессами жизнедеятельности дрожжевых клеток
и способствует их протеканию самыми разны-
ми путями. Транспорт регулирует состав элек-
тролита внутри клетки, при этом на мембране
создается градиент концентраций ионов и, тем
самым, запасается свободная энергия. За счет
энергии, обусловленной градиентом ионов,
чаще всего Na+, у дрожжей обеспечивается
перенос в клетку аминокислот и моносахаридов.
Одним из путей повышения эффективно-
сти работы электрогенного насоса дрожжей -
активного механизма, переносящего через
мембрану электрический заряд, является обра-
ботка дрожжевой суспензии переменным элек-
трическом полем.
На рис. 8.42 представлена электронная
установка, в которую дополнительно введен
генератор частоты с целью обеспечения воз-
можности широкого регулирования частоты
питающего электродную пару тока.
Основными параметрами, влияющими на
восстановление свойств и повышение активно-
сти хлебопекарных дрожжей, являются: про-
должительность электроконтактной обработки;
напряженность электрического поля; концен-
трация сухих веществ в дрожжах и частота
переменного электрического поля. Выбор оп-
тимальных параметров обработки дрожжей
осуществляется по величине газообразующей
способности теста. В табл. 8.11 приведены
значения частот электрического поля при раз-
ной продолжительности электроконтактной
обработки дрожжевой суспензии. Эти резуль-
таты получены при концентрации дрожжей
15 % и напряженности электрического поля
25 В/м.
Исходную зимазную активность дрожжей
А3, необработанных электрическим полем,
получаемую на разных частотах, целесообраз-
но представить относительно зимазной актив-
ности необработанной дрожжевой суспензии в
виде диаграммы (рис. 8.43).
Анализируя результаты, можно утвер-
ждать, что в диапазоне частот 40...20 000 Гц
наилучшие результаты зимазной активности
получаются на частоте поля 200 Гц и эта час-
тота принимается в качестве оптимальной час-
тоты для активации хлебопекарных дрожжей.
При обработке дрожжевой суспензии на
частоте 200 Гц в течение 1800 с зимазная ак-
тивность на 13 % меньше зимазной активности
образца, обработанного полем в течение 1 ч.
Принимая во внимание экономическую и тех-
ническую стороны обработки, в качестве оп-
тимальной продолжительности принято время
30 мин.
Оптимальная напряженность электриче-
ского поля составляет 682 В/м. Уменьшение
или увеличение напряженности электрического
поля в камере обработки приводит к снижению
эффекта активации дрожжей.
Следует отметить, что концентрация
дрожжей в дрожжевой суспензии играет нема-
ловажную роль в достижении преследуемой
Рис. 8.42. Схема установки для электроконтактной обработки пищевых продуктов:
7 - генератор частоты; 2 - емкость для обработки дрожжевой суспензии;
3 - электродная пара
8.11. Зимазная активность дрожжей и продолжительность обработки т
при разной частоте электрического поля
Наименование показателей Частота, Гц
40 80 200
Т, с А ’ с 0 4200 300 4080 1800 4200 3600 2940 0 3900 300 4080 1800 3300 3600 2700 0 3900 300 3240 1800 2280 3600 1980
400 800 1200
т, с 0 300 1800 3600 0 300 1800 3600 0 300 1800 3600
А ’с 3900 3240 2280 1980 4320 3900 4440 5100 4320 3780 3480 3900
2000 20000
т, с 0 300 1800 3600 0 300 1800 3600
А ’с 4929 5220 8580 4500 4920 3720 4080 4200
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОЙ ОБРАБОТКИ
704 Глава 8. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Рис. 8.43. Влияние частоты электрического поля V на относительную
зимазную активность дрожжей
цели. Если содержание дрожжей в дрожжевой
суспензии составляет 1...30 %, активация про-
исходит достаточно интенсивно. Увеличение
же концентрации дрожжей в суспензии свыше
34 % приводит к снижению их зимазной ак-
тивности.
На рис. 8.44 представлены кривые изме-
нения скорости vr газообразования безопар-
ного теста, приготовленного по двум вариан-
там:
а) с обработкой дрожжевой суспензии пе-
ременным электрическим полем при напря-
женности поля 682 В/м, частоте 200 Гц, кон-
центрации дрожжей 30 % в течение 30 мин.
б) без обработки электрическим полем с
выдерживанием его в течение 30 мин.
Исследованиями последних лет доказано,
что показателем готовности полуфабрикатов
хелебопекарного производства к разделке мо-
жет служить время образования второго мак-
симума кривой скорости газообразования в
полуфабрикате.
Электроконтактная обработка дрожжевой
суспензии позволяет сократить продолжитель-
ность созревания полуфабрикатов хлебопекар-
ной промышленности на 3600...5400 с по срав-
нению с тестом, в котором дрожжи не подвер-
гались обработке.
Качественные показатели хлеба, приго-
товленного безопарным способом, приведены в
табл. 8.12.
Электроконтактная обработка дрожжевой
суспензии переменным электрическим полем
частотой 200 Гц приводит не только к значи-
тельному сокращению продолжительности
брожения теста, по сравнению с контрольным,
но и к существенному улучшению качества
хлеба. Он имеет (по сравнению с контрольной
выпечкой) большой удельный объем, лучшую
тонкостенную пористость, улучшенные струк-
турно-механические свойства.
Не меньший интерес представляет изуче-
ние влияния способов выращивания и расы
дрожжей на оптимальную частоту поля. С этой
целью отобраны две пробы прессованных хле-
бопекарных дрожжей и одна проба сушеных
дрожжей, выработанных на различных дрож-
жевых заводах.
При исследовании зимазной активности
прессованных дрожжей концентрация сухих
веществ поддерживается на уровне 1,25 %, для
сушеных 2,5 %. Обработка проходит в течение
1800 с при напряженности поля 682 В/м, в диа-
пазоне частот 20...20000 Гц. В табл. 8.13 пред-
ставлены значения зимазной активности на
разных частотах электрического поля.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОЙ ОБРАБОТКИ
705
Рис. 8.44. Кривые газообразования безопарного теста:
-------с обработкой суспензии дрожжей переменным электрическим полем;
-------без обработки дрожжей переменным электрическим полем
8.12. Качественные показатели хлеба с обработанными и необработанными дрожжами
Показатели Без обработки С обработкой
Удельный объем хлеба, см3/100 г 366 393
Структурно-механические свойства мя- киша по показаниям прибора АП-4/2,
//общ 96 107
//пл 69 77
//упр 27 30
НВ 0,38 0,40
Оценка, балл 77 81
Влажность, % 42,0 42,0
Кислотность, ° 2,4 2,4
Пористость, % 80 86
Продолжительность брожения, с 16200 12600
8.13. Влияние частоты электрического поля
на зимазную активность хлебопекарных дрожжей
Проба дрожжей Зимазная активность, с, на частоте, Гц
20 100 200 300 1000 2000 10000 20000
I (прес.) 2880 2880 3158 3180 2400 3000 - 2700
II (прес.) 2580 2280 3480 2880 3000 3240 - 3120
III (сушеные) - 2820 2880 3360 2580 2820 2880 2760
23 — 8434
706 Глава 8. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Для прессованных дрожжей (пробы I и II)
оптимальной остается частота поля 200 Гц, а
для сушеных - 300 Гц. При этом зимазная ак-
тивность прессованных обработанных элек-
трическим полем дрожжей, по сравнению с
необработанными, улучшается на 37 %, а су-
шеных - на 22 %.
Вместе с тем, в процессе хранения дрож-
жей в условиях предприятий хлебопекарной
промышленности имеет место снижение их
активности или утрата их хлебопекарных
свойств.
Электроконтактная обработка хлебопе-
карного сырья, утратившего свои свойства,
позволяет повысить его активность до 63...
70 % в зависимости от степени активности
исходных дрожжей.
Устройство для активации хлебопекар-
ных дрожжей «Пышка» состоит из двух бло-
ков: блок питания с контрольно-измеритель-
ными приборами (вольтметр и амперметр);
камеры обработки дрожжевой суспензии,
снабженной электродной группой из коррози-
онно-стойкой стали. Блок питания включается
в сеть переменного тока напряжением в 220 В,
что обеспечивает в камере обработки постоян-
ную напряженность электрического поля
(682 В/см) частотой 200 Гц. В целях обеспече-
ния электробезопасности обслуживающего
устройства предусматривается автоматическое
отключение питания электродов в камере об-
работки от блока питания при снятии обрабо-
танной дрожжевой суспензии или заполнении
камеры свежей, необработанной суспензией.
Измерительные приборы обеспечивают
возможность контролировать обработку дрож-
жевой суспензии в заданных технологических
режимах.
Техническая характеристика устройства
для активации хлебопекарных дрожжей «Пыш-
ка» приведена ниже.
Габаритные размеры, мм:
блока питания............... 290x190x110
камеры обработки......... 260x220x140
Продолжительность обработки, с 1800
Температура обрабатываемой
среды........................ нормальная
Потребляемая мощность, Вт/л ... 35
Применение «Пышки» для активизации
дрожжей обеспечивает:
сокращение продолжительности броже-
ния теста на 60...90 мин по сравнению с тра-
диционным методом;
улучшение зимазной активности на
20...25 %;
увеличение объема хлеба на 19...22 %;
повышение кислотности хлеба на 10...
12%, по сравнению с традиционным методом
приготовления хлеба;
повышение структурно-механических
свойств хлеба:
обработанные электрическим полем дрож-
жи сохраняют активность в течение 25 суток.
8.5. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ
ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
Ультразвуковые технологии широко
применяются для решения ряда задач в пище-
вом машиностроении, в производстве продук-
тов питания, в санитарной обработке оборудо-
вания, в очистке сточных вод пищевых произ-
водств, для контроля качества сырья, полуфаб-
рикатов и готовой продукции, а также для ее
упаковки. В основе всех ультразвуковых тех-
нологий лежат эффекты взаимодействия ульт-
развука со средой.
Ультразвуковые колебания и волны име-
ют диапазон частот 104...109 Гц. При распро-
странении в среде параметры ультразвука низ-
ких интенсивностей зависят от ее состояния, и
эти зависимости используются в пищевой про-
мышленности для входного контроля некото-
рых видов сырья, для определения состава тех
или иных композиций, для оценки изменений
физико-химического состояния продуктов пи-
тания в процессе их изготовления и т.д.
Мощный ультразвук в зависимости от его
параметров и условий воздействия, вызывает в
жидких средах ряд специфических эффектов -
кавитацию, интенсивные микро- и макропото-
ки, приводящие к быстрому и качественному
перемешиванию компонентов среды, образо-
ванию стойких эмульсий, экстрагированию
растворимых компонентов из находящихся в
жидкости частиц, набуханию и разрушению
этих частиц и т.д. Эти эффекты используются
для интенсификации процессов производства в
пищевой промышленности и создания новых
технологий.
Микропотоки с высокими градиентами
скоростей, возникающие под действием ульт-
развука вблизи твердых поверхностей в жид-
ких средах с низкой вязкостью, обусловливают
отрыв от этих поверхностей налипших на нее
посторонних частиц. Это позволяет создавать
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ 707
ультразвуковые ванны для высококачествен-
ной очистки оборотной тары, а также оборудо-
вания и деталей сложной формы от жировых и
других загрязнений. Способность ультразвука
разрушать клетки микроорганизмов и повы-
шать их чувствительность к обеззараживаю-
щим веществам дает возможность быстро и
эффективно проводить санитарную обработку
технологических узлов и емкостного оборудо-
вания. Под влиянием ультразвука на поверхно-
сти раздела деталей или пленок из термопла-
стичных материалов происходит активация
полимерных молекул за счет разрыва химиче-
ских связей и поверхностный разогрев, что
приводит к соединению деталей или пленок.
Этот эффект широко используется в техноло-
гии ультразвуковой сварки, например для гер-
метичной упаковки продуктов питания.
Ультразвуковые методы весьма эффек-
тивны также для гашения пены в некоторых
технологических процессах, для ускорения
процессов ферментации, для ускорения прора-
щивания семян, для предотвращения образова-
ния накипи в емкостном оборудовании и тру-
бопроводах, для обеззараживания сточных вод,
выделения из них ценных веществ и в ряде
других случаев.
Оборудование для ультразвуковой обра-
ботки пищевых продуктов условно подразде-
ляется на две группы в зависимости от способа
получения ультразвука. К первой группе отно-
сят оборудование, в котором используются
относительно простые по конструкции жидко-
стные механические излучатели, колебания в
которых возбуждаются при взаимодействии
потока жидкости с твердой излучающей систе-
мой. Эти излучатели позволяют генерировать
ультразвук с достаточной для многих техноло-
гических целей мощностью и с частотами до
40 кГц.
Установки с гидродинамическими излу-
чателями ультразвука в общем виде представ-
ляют собой устройство для подачи жидкости
под давлением, непосредственно гидродина-
мический преобразователь и приемную ем-
кость. Для технологических целей чаще всего
используют пластинчатые гидродинамические
излучатели (рис. 8.45), представляющие собой
погруженное в жидкость щелевое сопло /, по-
ток из которого натекает на заостренное в сто-
рону струи препятствие, в котором возбужда-
ются колебания. Для повышения интенсивно-
сти колебаний в среде добиваются совпадения
частоты автоколебаний в натекающей струе и
частоты собственных колебаний препятствия.
Эти и другие конструкции гидродинамических
излучателей применяют для интенсификации
процессов эмульгирования взаимно нераство-
римых жидкостей, диспергирования твердых
частиц в жидкой среде, ускорения кристалли-
зации в растворах и расплавах, очистки и сани-
тарной обработки деталей и технологических
узлов, применяемых в пищевой промышленно-
сти машин и т.д. [24].
Гидродинамические излучатели позволя-
ют получать относительно недорогую ультра-
звуковую энергию и используются в тех случа-
ях, когда не требуется монохроматичности и
высокой интенсивности излучения.
В излучателях второго типа ультразвук
возникает за счет превращения электрической
энергии в механическую с помощью пьезо-
электрических или магнитострикционных пре-
образователей. Такие преобразователи дают,
как правило, монохроматическое ультразвуко-
вое излучение, что позволяет повышать их
эффективность за счет резонансных явлений.
Для увеличения интенсивности на высоких
частотах используются ультразвуковые кон-
центраторы, представляющие собой фокуси-
рующие системы в виде вогнутых излучателей,
а в низкочастотном диапазоне используют
трансформаторы в виде стержней переменного
сечения, позволяющие во много раз увеличи-
вать амплитуду смещения излучающей по-
верхности.
В отдельных случаях применяют также
электроискровые излучатели, генерирующие в
жидкости ударную волну.
Рис. 8.45. Пластинчатые гидродинамические
излучатели ультразвука:
а - крепление в узловых точках;
б - консольное крепление; I - сопло;
2 - пластинка; 3 - точки крепления
23*
708 Глава 8. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Ультразвуковая интенсификация тех-
нологических процессов в пищевой про-
мышленности. Ультразвуковое эмульгирова-
ние позволяет получать высокодисперсные,
стойкие, практически однородные эмульсии
без добавления эмульгаторов, стабилизаторов
и других химических веществ. Процесс эмуль-
гирования в ультразвуковом поле обусловлен
кавитацией, условия возникновения и развития
которой зависят от параметров ультразвука
(мощности, частоты, формы поля), а также
состояния среды (вязкости, температуры, при-
роды и количества растворенных в жидкости
газов, давления и т.д.).
Применение ультразвуковых реакторов с
магнитострикционными или пьезокерамиче-
скими преобразователями позволяет получать
монодисперсную эмульсию. Качество эмуль-
сии, полученной в установках с гидродинами-
ческими преобразователями, ниже, но их про-
изводительность в десятки раз выше эмульга-
торов с электромеханическими преобразовате-
лями. Водно-масляные эмульсии, полученные с
применением ультразвука, используются в
хлебопекарном производстве для смазывания
поддонов, в колбасном и кондитерском произ-
водстве и т.д.
Ультразвуковое диспергирование подра-
зумевает размельчение твердых тел в жидкой
среде и имеет место при воздействии ультра-
звуком на суспензии твердых частиц или и,х
агрегаты. Применение ультразвука позволяет
на несколько порядков увеличить дисперсность
продукта по сравнению с диспергированием
без применения ультразвука. Процесс диспер-
гирования обусловлен ударными волнами,
возникающими при захлопывании кавитацион-
ных полостей. Скорость диспергирования за-
висит от мощности ультразвука, свойств жид-
кости и диспергируемого вещества. Эффектив-
ность ультразвукового диспергирования значи-
тельно повышается, если наряду с действием
ультразвука жидкость подвергнуть статиче-
скому давлению. Ультразвуковые диспергато-
ры-гомогенизаторы широко используются для
приготовления суспензий сухих пряностей,
которые значительно проще чем порошок вно-
сить в пищевые формы, для приготовления
фруктово-ягодных пюре, гомогенизации шоко-
ладной и пралиновой масс и др.
Ультразвуковое экстрагирование. Экс-
тракция - один из наиболее распространен-
ных методов, используемых в процессе полу-
чения биологически активных веществ. Не-
смотря на бурное развитие производства син-
тетических пищевых ароматизаторов, вкусо-
вых добавок и нутрицевтиков, еще очень мно-
гие биологически активные вещества получают
из природною разительного или животного
сырья. Все процессы экстракции лимитирует
диффузия на I ранице раздела фаз через диффу-
зионный слой с । радистом концентраций экс-
трагируемо! о вещее 1 ва
Экстрагирование биилогически активных
веществ - наиболее продолжи!ельная стадия
переработки сырья. 1радиционные методы
экстракции нередко занимают часы, сутки или
даже недели. Использование ультразвука по-
зволяет значительно ускорить процесс экс-
тракции, увеличить выход и снизить себестои-
мость экстрагируемого вещества, улучшить
условия труда и повысить его производитель-
ность.
В эфиро-масличном производстве и про-
изводстве соков из плодов и ягод применение
ультразвука весьма перспективно, так как ни
одно из этих производств не обходится без
извлечения из природного сырья физиологиче-
ски активных соединений, пищевых красите-
лей, масел, отдушек, сахара и т.д.
Следует отметить, что кроме непосредст-
венно процессов экстракция, ультразвук спо-
собен значительно ускорить процесс пропитки
экстрагентом растительного и животного сы-
рья, что позволит интенсифицировать процесс
замачивания предварительно высушенного
сырья, посола мяса, обработки рыбы в коп-
тильной жидкости и т.д.
Механические возмущения в ультразву-
ковом поле - переменные смещения, а также
силы, возникающие в градиенте колебательной
скорости и в микротечениях, способны изме-
нить вязкость клеточного содержимого, сни-
зить градиенты концепт раций в непосредст-
венной близости от клеточных мембран или у
других границ раздела, обусловить десорбцию
с клеточных мембран и других поверхностей
макромолекул, связанных слабыми взаимодей-
ствиями. вызвать в клеточных мембранах
структурные возмущения и даже нарушить
целостность клеточных мембран. Во всех слу-
чаях конечным результатом воздействия меха-
нических возмущений будет изменение усло-
вий транспортировки полярных или неполяр-
ных молекул через клеточную мембрану или
другие поверхности раздела фаз.
Ультразвук снижает вязкость тиксотроп-
ных жидкостей, что также ведет к увеличению
коэффициента диффузии.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
709
Интенсивные микропотоки способны на-
рушить целостность клеточных мембран, через
разрывы в которых вытекает содержимое кле-
ток. Этот эффект можно рассматривать как
предельный случай изменения условий транс-
портировки веществ через клеточную мембра-
ну при ультразвуковом воздействии. Кроме
того, ультразвук, разрушая и гомогенизируя
ткани, облегчает извлечение из них тех или
иных веществ. Так, обработка мощным ультра-
звуком рыбного фарша существенно увеличи-
вает выход рыбьего жира, воздействие ультра-
звука на семена масличных культур увеличива-
ет выход растительного масла. Использование
ультразвука перед прессованием винограда в
ряде случаев на 10% увеличивает отдачу сока
и снижает энергетические затраты на его отде-
ление, усиливается также интенсивность окра-
ски сока при прессовании красных сортов ви-
нограда. Вкусовые качества виноградного сока
при этом не меняются.
Перечисленные эффекты широко исполь-
зуются при разработке нового поколения экс-
тракционного оборудования, что существенно
расширяет возможности экстракционных тех-
нологий. В пищевой промышленности ультра-
звуковые экстракторы применяются, например,
для приготовления экстрактов черного перца и
других пряностей, используемых в производ-
стве мясных и других продуктов, пищевых
красителей и т.д.
Ультразвуковое осветление. Для освет-
ления напитков, растительных масел, других
жидких пищевых продуктов широко применя-
ется процесс фильтрования, эффективность
которого существенно повышается под влия-
нием ультразвука, ускоряющего транспорт
сквозь пористые материалы. Кроме того, ис-
пользование способности ультразвука удалять
с поверхностей различные отложения позволя-
ет создавать самоочищающиеся ультразвуко-
вые фильтры с относительно низким сопротив-
лением течению фильтрующимся средам, не
повышающимся в процессе эксплуатации.
Самоочищающийся фильтр, принцип
действия которого основан на интенсификации
массопереноса в ультразвуковом поле, позво-
ляет эффективно разделять жидкости и взве-
шенные в них частицы нерастворимых ве-
ществ. Конструкция фильтра дает возможность
осуществлять ускоренный непрерывный про-
цесс фильтрации, обеспечивать самоочищение
фильтрующего элемента акустичекими микро-
потоками, эвакуировать отделяемую фракцию
твердых частиц, повышать экономическую
эффективность производства.
Ультразвуковая обработка фруктовых со-
ков и вин также способствует их осветлению,
вызывая коагуляцию взвешенных органиче-
ских частиц и появление большого числа цен-
тров кристаллизации, что приводит к сокраще-
нию процесса выпадения, например, избытка
винного камня (с 12... 15 суток до 6... 10 ч.)
Ультразвуковая сушка Сушка - один из
распространенных и весьма энергоемких про-
цессов в пищевой промышленности. Примене-
ние ультразвуковых методов и оборудования в
ряде случаев позволяет без существенного
повышения температуры ускорить отделение
влаги из пористых материалов и суспензий.
Ускоренное удаление влаги при ультра-
звуковой сушке обеспечивается снижением
диффузионного сопротивления в объеме и у
поверхности высушиваемого материала, мощ-
ными турбулентными газовыми потоками у
поверхности материала, вытряхивающими и
уносящими микрокапли жидкости, уменьше-
нием толщины пограничного слоя.
Эвакуация отделенной в виде паров и
микрокапель жидкости осуществляется газо-
вым потоком. В результате применения техно-
логии ультразвуковой сушки удается снизить
температуру процесса до значений, обеспечи-
вающих сохранность биологически активных
веществ, увеличить скорость процесса сушки,
снизить энергозатраты, уменьшить потери вы-
сушиваемого продукта.
Оборудование для ультразвуковой сушки
легко адаптируются к традиционным сушиль-
ным установкам с виброкипящим слоем, рас-
пылительным, тоннельным, барабанным и дру-
гим, существенно повышая их производитель-
ность и экономическую эффективность. Ульт-
развуковую сушку применяют в производстве
сухого молока, солода, порошка автолизатов
пивных дрожжей и т.д.
Ультразвуковая стимуляция биологиче-
ских процессов. Ряд технологических процес-
сов с участием живых систем, например, про-
растание семян ячменя при изготовлении соло-
да, прорастание семян пшеницы для использо-
вания проростков в качестве пищевой добавки,
молочнокислое брожение и некоторые другие
могут быть ускорены за счет стимулирующего
действия ультразвука низкой интенсивности.
Приборы ультразвукового контроля.
Применение ультразвука для определения
свойств, состава и строения веществ в про-
710 Глава 8. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ
мышлением производстве и в научных иссле-
дованиях основано на зависимости скорости и
затухания ультразвуковых волн в объеме и
поверхностном слое вещества от его состава и
структуры, на законах отражения и рассеяния
ультразвука на границах двух сред с различ-
ными акустическими свойствами, на измене-
нии резонансных параметров твердых тел в
зависимости от свойств окружающей среды.
Акустические методы в ряде случаев позволя-
ют заменить субъективную органолептическую
оценку результатами объективного экспресс-
анализа пищевых продуктов и сырья в техно-
логических процессах их переработки [23].
Акустические характеристики белков,
липидов, минеральных веществ и воды в орга-
ническом сырье и пищевых продуктах адди-
тивны, т.е. зависят от содержания каждого из
этих компонентов при неизменной концентра-
ции других. Эти зависимости, а также их связь
с температурой, использованы в универсаль-
ном приборе, позволяющем по результатам
измерений акустических параметров при двух
фиксированных значениях температуры в те-
чение нескольких минут определить в образцах
молока, мясного или колбасного фарша и дру-
гих аналогичных средах объемом не более
1 см3 содержание жира, белка, минеральных
веществ и воды.
Другой акустический измерительный
прибор, измеряющий поглощение поверхност-
ных крутильных колебаний, дает возможность
оценить качество мяса и желированных пище-
вых форм, проследить за процессом созревания
мяса и формированием желеобразного состоя-
ния ряда продуктов по их вязкоупругим свой-
ствам.
Изменение консистенции молочных про-
дуктов (сметаны, йогуртов, кефира, а также
сыров) в процессе их приготовления и (или)
хранения удобно отслеживать по поглощению
и скорости распространения поверхностных
волн. Прибор с точечными датчиками (рис.
8.46), не разрушающими поверхность иссле-
дуемого объекта, позволяет даже сквозь упа-
ковку в течение нескольких секунд определить
не только степень готовности различных сы-
ров, йогуртов, сметаны и других продуктов
сходной консистенции, но и степень заполне-
ния упаковок из непрозрачных материалов,
например жестяных банок [22].
Для измерения вязкости в пищевой про-
мышленности удобны ультразвуковые виско-
зиметры, позволяющие непрерывно регистри-
ровать ее изменения в технологических про-
цессах. Эти и другие акустические приборы,
предназначенные для оценки и измерения фи-
зико-химических свойств пищевых веществ и
их композиций, а также состояния оборудова-
ния, например, уровня заполнения бункеров,
наличия механических дефектов в ответствен-
ных деталях технологических узлов, толщины
органических и неорганических отложений на
внутренних стенках рабочих емкостей и труб и
т.д., широко применяются в пищевой промыш-
ленности.
Ультразвук в очистке сточных вод.
Сточные воды многих пищевых производств
содержат ряд веществ, которые могут быть
использованы в качестве корма для сельскохо-
зяйственных животных. Выделение этих ве-
ществ в ряде случаев существенно облегчается
применением ультразвука. После обработки
ультразвуком, например, из стоков рыбопере-
рабатывающих комбинатов удается извлечь
значительное количество кормового белка и
жира, что не только позволяет получить цен-
ные кормовые вещества, но и ускоряет даль-
нейшую биологическую очистку сточных вод.
Стимуляция сообществ микроорганизмов
высокочастотным ультразвуком низкой интен-
сивности в бассейнах биологической очистки
интенсифицирует их обмен веществ, увеличи-
вает скорость биосинтеза биологически актив-
ных соединений, ускоряет адаптацию клеток к
Рис. 8.46. Датчик с фиксированным
расстоянием между преобразователями:
1 - волновод; 2 - пьезоэлемент; 3 - обойма держате-
ля; 4 - демпферирующая прокладка;
5 - электрический разъем;
6 - основание датчика
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
711
новым условиям. Так, стимуляция ультразву-
ком клеток плесени Aspergilus niger. играющей
важную роль в процессе очистки воды, в 1,5
раза ускоряет их развитие, увеличивает ско-
рость утилизации веществ в сточных водах,
например рыбоперерабатывающих комбинатов.
Развивающаяся в бассейнах плесень вы-
деляет мощные ферменты - целлюлазу и цел-
лобиазу, разрушающие клетчатку. Выделяю-
щаяся при этом глюкоза полностью использу-
ется клетками плесени, превращающими ее в
углекислый газ и воду. Параллельно усилива-
ется также превращение сероводорода и серы в
безвредные сульфаты.
В процессе жизнедеятельности клетками
плесени Aspergilus niger выделяется лимонная
кислота и некоторые другие органические ки-
слоты, создающие неблагоприятную для разви-
тия бактериальных клеток среду. Усиливается
и выработка антибиотиков, которые вместе с
органическими кислотами быстро снижают в
сточной воде количество бактерий, в том числе
и болезнетворных. Клетки той же плесени по-
сле обработки ультразвуком активно концен-
трируют в себе соединения тяжелых металлов.
В ряде случаев, мощный ультразвук ус-
пешно применяется для снижения общей обсе-
мененности сточных вод.
Ультразвуковая очистка. Использова-
ние ультразвука позволяет не только ускорить
процесс очистки, но и получить высокую сте-
пень чистоты рабочих поверхностей, а также
заменить ручной труд и исключить применение
пожароопасных и токсичных растворителей.
Процесс ультразвуковой очистки обу-
словлен рядом специфических явлений, возни-
кающих в жидкости под действием интенсив-
ного ультразвука: кавитацией, энергичными
микро потокам и, акустическим давлением, зву-
кокапиллярным эффектом. Качество очистки
зависит от частоты колебаний, плотности аку-
стической энергии и формы поля, свойств
моющей жидкости и прочности связи загряз-
няющих веществ с очищаемой поверхностью.
Ультразвук значительно повышает ак-
тивность токсических для микроорганизмов
соединений, что позволяет на один - два по-
рядка снизить концентрацию антибактериаль-
ных препаратов при санитарной обработке
агрегатов машин по переработке пищевых
продуктов [3].
Ультразвуковая очистка осуществляется,
как правило, в ваннах различной емкости. Та-
кие ванны широко применяются для очистки
оборотной стеклянной тары, труб, сменных
узлов машин, а также для очистки хлебопекар-
ных поддонов и емкостного оборудования, что
стало возможным в связи с разработкой новых
мощных и экономичных погружных преобра-
зователей.
Специальное ультразвуковое оборудова-
ние позволяет осуществлять мойку зерна перед
помолом или проращиванием, в течение не-
скольких секунд избавиться от осадка, а также
от «масок» и «сеток» на внутренней поверхно-
сти бутылок с шампанским, не меняя его по-
требительских качеств и т.д.
Весьма перспективно применение новых
стержневых ультразвуковых преобразователей
для регенерации песчаных фильтров на стан-
циях очистки питьевой воды, а также других
насыпных фильтрующих материалов, напри-
мер, кизельгура, используемого для осветления
пива.
Ультразвук в пищевом машинострое-
нии. В пищевом машиностроении, как и в дру-
гих областях машиностроения, ультразвук ши-
роко применяется:
при подготовке металлических поверхно-
стей перед нанесением грунта, подготовке
грунтованных поверхностей под нанесение
красок, для полировки поверхностей, обезжи-
ривания и очистки труднодоступных мест,
деформационной правки и локальной рихтов-
ки, повышения предела выносливости сварных
соединений, их коррозионно-механической
стойкости и долговечности;
для оперативного автоматизированного
контроля геометрической точности деталей;
для повышения стойкости шлифовальных
кругов на обдирочных и чистовых стадиях
обработки посредством их оперативной ульт-
развуковой очистки от засаливания в процессе
эксплуатации, восстановления режущих
свойств гибких полировочных кругов в опера-
ционных и межоперационных режимах;
для повышения классности и однородно-
сти полированной поверхности;
для повышения эмульсионной устойчи-
вости смазочно-охлаждающих жидкостей и
предотвращения их расслоения;
для повышения качества нарезания резьб
метчиками;
для повышения стойкости метчиков и
сверл малых диаметров, упрочнения галтелей и
поверхностей, подвергаемых знакопеременной
нагрузке без применения термохимических и
термических методов;
712 Глава 8. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ
для дробления стружки и защиты сверл
от поломок в процессе сверления глубоких
каналов, а также монтажа и демонтажа резьбо-
вых и напряженных разъемных соединений;
для повышения показателей конструктор-
ско-технологической прочности композитных
материалов на полимерном связующем;
для ультразвуковой (холодной) сварки
пластмассовых деталей и т.д.
В настоящее время новые ультразвуковые
технологии и технологическое ультразвуковое
оборудование разрабатывают и изготовляют
серийно и по специальным заказам МПК
«АФАЛИНА» (Москва), «РЕЛТЭК» (г. Екате-
ринбург), ВНИИ ТВЧ (Санкт-Петербург) и др.
8.6. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ
КРИОЭЛЕКТРОСЕПАРАЦИИ
ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
Все большее применение в промышлен-
ности находят технологические процессы, ос-
нованные на воздействии электрического поля
на заряженные диспергированные частицы и
материалы.
Физическая сущность данных технологи-
ческих процессов, к одному из которых отно-
сится криоразделение в электрическом поле,
заключается в сообщении диспергированным
частицам сырья (продукта) электрических за-
рядов и создании упорядоченного (направлен-
ного) воздействия на него электрических и
механических сил.
Силовое воздействие электрического по-
ля может проявляться в различных формах от
ориентации частиц до направленного их дви-
жения.
В зависимости от того, какие из электро-
физических свойств сырья используют при
криоэлектросепарации, различают следующие
методы.
Разделение смесей по электрической про-
водимости применяют в том случае, если ком-
поненты смесей различаются по значению и
характеру проводимости. Разделение происхо-
дит в результате создания (на основе различий
в проводимости) электрических зарядов на
поверхности компонентов смеси с последую-
щим пропусканием их через электрическое
поле постоянной полярности и отклонением
траекторий движения под действием электри-
ческих сил.
Диэлектрическое разделение в электриче-
ском поле основано на различии в диэлектри-
ческой проницаемости разделяемых компонен-
тов смеси. Разделение выполняют в жидкой
среде и в воздушной без предварительной за-
рядки частиц. Процесс основан на действии
пондеромоторных (механических) сил элек-
трического поля на диполи.
Трибоэлектростатическое разделение
основано на использовании щибоэлектриче-
ского эффекта, те. на способности компонен-
тов смеси приобретав, cicki рический заряд в
процессе трения частиц как между собой, так и
на поверхности контактирования. После элек-
тризации частицы смеси направляются в элек-
трическое поле, где в результате взаимодейст-
вия электрических и механических сил части-
цы, получившие больший заряд, отклоняются
от траектории движения частиц с меньшим
зарядом. Трибоэлектросгатическое разделение
применяют в том случае, если смеси веществ
имеют низкую электрическую проводимость.
Разделение в поле коронного разряда ос-
новано на различии в электрофизических свой-
ствах частиц, их форме и плотности. Иониза-
ционная зарядка и разделение частиц осущест-
вляются при воздействии на них сильного
электрического поля. Различают барабанную и
камерную электросепарацию.
Трибоадгезионное разделение основано на
использовании силы адгезии, обусловленной
молекулярным притяжением. Отличительная
особенность метода - отсутствие источника
высоковольтного питания, что обеспечивает
простоту обслуживания сепаратора.
Флюидизационно-электростатическое раз-
деление основано на зарядке частиц в псевдо-
ожиженном слое и последующем разделении
их при прохождении с потоком воздуха через
электростатические поля, образованные сетча-
тыми электродами.
Пироэлектрическое разделение основано
на использовании пироэлектрического эффекта.
В пищевой промышленности все большее
применение начинают находить трибоэлек-
тростатическое разделение и разделение в
поле коронного разряда.
Основными факторами, влияющими на
эффективность криоэлекгросепарации, являют-
ся электрофизические свойства компонентов
сырья, характеристика окружающей среды,
величина приобретаемых зарядов, размеры,
форма и плотность частиц, напряженность
поля и др.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ КРИОЭЛЕКТРОСЕПАРАЦИИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
713
Предварительная подготовка сырья, на-
пример криозамораживание, также способству-
ет повышению эффективности разделения сме-
сей, компоненты которых близки по своим
электрофизическим свойствам.
Зарядка частиц. Одним из основных
факторов, определяющих успешное осуществ-
ление криоэлектросепарации в холодильной
промышленности, является зарядка частиц. От
эффективности зарядки частиц диспергирован-
ного многокомпонентного сырья биологиче-
ского происхождения зависят результаты его
разделения. На практике применяют следую-
щие способы зарядки частиц:
трением - путем механической, тепловой
и электризации с использованием холода;
путем электростатической индукции (ин-
дукционная зарядка) - при контакте частиц с
поверхностью электрода, находящегося под
определенным электрическим потенциалом;
в поле коронного разряда (ионизационная
зарядка) - в результате направленного движе-
ния ионов к поверхности частиц, находящихся
в межэлектродном промежутке.
Перечисленные способы зарядки частиц в
ряде случаев используются совместно, что
вызвано, в частности, конструктивными осо-
бенностями аппарата, электрофизическими
свойствами частиц, их размером и формой.
Зарядка частиц трением. Эффект трибо-
электризации частиц вызван результатами об-
мена зарядов между соприкасающимися по-
верхностями и связан с образованием общего
двойного электрического слоя, который служит
непосредственным источником статических
зарядов.
Энергетическое состояние поверхностей
до их контакта характеризуется определенным
равновесным состоянием. При контакте по-
верхностей, обладающих различным уровнем
поверхностной энергии, происходит наруше-
ние их энергетического состояния, так как в
соприкосновение входят поверхности, имею-
щие различный уровень поверхностной энер-
гии. Образовавшийся вновь двойной электри-
ческий слой характеризуется новым энергети-
ческим состоянием, что и является причиной
перераспределения носителей зарядов между
контактирующими телами.
Разрыв контакта приводит к образованию
на каждой частице нескомпенсированных за-
рядов противоположного знака, величина ко-
торых определяется кинетикой процессов, свя-
занных с образованием и разрывом в месте
контакта частиц нового двойного электриче-
ского слоя. Для каждого конкретного случая
кинетика зарядки зависит от ряда факторов,
связанных с электрофизической характеристи-
кой контактирующих фаз и условий, в которых
происходит процесс.
Использование электризации трением по-
зволяет осуществлять разделение таких мате-
риалов, компонент коюрых незначительно
различаются между собой но электрической
проводимости.
Индукционная зарядка частиц. Механизм
индукционной зарядки как смеси частиц, так и
отдельных частиц полностью еще не изучен,
хотя этот метод сообщения зарядов частицам
является наиболее простым и доступным.
По сравнению с трибозарядкой при дан-
ном способе зарядки частицы получают более
устойчивые по величине заряды, повышается
также содержание частиц с одинаковой поляр-
ностью (до 70...80 %) и увеличивается заряд
отдельных частиц. Скорость зарядки частиц
зависит от ряда причин: объемной и поверхно-
стной проводимости, геометрической формы
частиц, внешней среды и т.д.
Индукционная зарядка частиц состоит из
двух этапов. На первом этапе происходит за-
рядка в результате перетекания заряда с метал-
лической поверхности, на которую подан по-
тенциал, на частицы. Величина заряда и меха-
низм зарядки определяются напряженностью
поля на поверхности частицы, состоянием по-
верхности электрода, электрофизическими
свойствами частицы, относительной влажно-
стью внешней среды и ее температурой.
На втором этапе частица отрывается от
металлической плоскости (электрода) и проис-
ходит стекание заряда. При удалении частицы
от электрода уменьшается ее собственная ем-
кость и начинает сказываться влияние внешне-
го поля. В свою очередь, уменьшение собст-
венной емкости частицы приводит к увеличе-
нию напряженности поля на ее поверхности, и
в результате возможно снижение величины
заряда частицы из-за возникновения газового
разряда в промежутке част ица - электрод.
Одним из распространенных способов
контактной зарядки частиц является зарядка от
плоскости при отрыве от нее частиц. Зарядка
полупроводниковых и диэлектрических частиц
в этом случае происходит не мгновенно, как
проводниковых, а в течение некоторого про-
межутка времени, длительность которого зави-
сит от электрофизических свойств частицы.
714 Глава 8. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Перенос заряда в диэлектрических части-
цах осуществляется в месте контакта с метал-
лической поверхностью (электродом). На дли-
тельность зарядки частиц значительное влия-
ние оказывает относительная влажность среды,
так как с ней связана адсорбция влаги на по-
верхности частицы.
Ионизационная зарядка частиц является
наиболее эффективной и часто используется в
аппаратах электронно-ионной технологии, где
источником ионов служит коронный разряд.
Осаждение ионов на поверхности частицы
осуществляется под действием следующих сил.
Часть силовых линий внешнего поля пересека-
ет поверхность частицы. Ионы, движущиеся по
ним, сталкиваются с частицей и удерживаются
на ее поверхности. Кроме того, частицы поля-
ризуются во внешнем поле, что приводит к
искривлению силовых линий результирующего
поля и увеличению числа линий, пересекаю-
щих поверхность частицы, вызывая, в свою
очередь, осаждение ионов на ее поверхности,
так как в отсутствие поляризации ионы не по-
падали бы на частицы.
На ионы, движущиеся вблизи поверхно-
сти частицы, действует сила реакции, и под ее
действием еще некоторая часть ионов осажда-
ется на поверхности частицы. Концентрация
ионов вблизи частицы оказывается меньше,
чем вдали из-за поглощающего действия по-
верхности частицы, а также вследствие того,
что заряженная частица создает отталкиваю-
щее кулоновское поле, влияние которого силь-
нее вблизи ее поверхности.
Наличие градиента концентрации приво-
дит к возникновению диффузии ионов к части-
це, которая будет стремиться выровнять кон-
центрацию, вследствие чего еще часть ионов
будет осаждаться на поверхности частицы.
Следует отметить, что приведенный последний
фактор осаждения ионов на поверхности час-
тицы действует в основном для частиц крупно-
стью менее 1 мкм. Таким образом, все назван-
ные силы заставляют ионы двигаться к поверх-
ности частицы.
Этому движению препятствует лишь сила
отталкивания между ионами, осевшими на
частице, и ионами, приближающимися к ее
поверхности. При наступлении равновесия
между отталкивающей и притягивающей сила-
ми скорость движения ионов к поверхности
частицы падает и зарядка прекращается.
На результаты криоразделения дисперги-
рованного сырья биологического происхожде-
ния определяющее влияние оказывает характер
движения частиц в межэлектродном простран-
стве эдектросепараторов.
Анализ траекторий движения компонен-
тов сырья осуществляется из условия равнове-
сия сил, приложенных к частице согласно
принципу Даламбера:
Ги + Гк 4- Fe 4- Fc + FT =0,
где FH , FK , FE , Fc , FT - силы инерции, Ку-
лона, пондеромоторные, сопротивления и тя-
жести.
Затем составляются уравнения относи-
тельно осей ОХ и ОУ и определяются парамет-
ры частиц.
Структурная схема переработки сырьй,
например мясокостного следующая:
Замораживание до температуры не выше
253 К:
грубое измельчение;
среднее измельчение;
рассев на фракции;
электросепарация:
мясная фракция поступает в колбасное
производство;
костная фракция идет на производство
кормовой муки.
О возможности проведения криоразделе-
ния в электрическом поле судят по критерию
ф, представляющему собой отношение
удельных зарядов разделяемых компонентов.
Оценка качества разделения сырья биоло-
гического происхождения может быть прове-
дена с помощью технологического критерия,
применяемого в ряде ведущих отраслей про-
мышленности и имеющего следующий вид:
у(р-сс)
Р=Ш--------100 ,
100-67
где а и Р - содержание мясной фракции в
исходном и разделенном сырье, %; у - выход
разделенного сырья, %.
Степень извлечения, например, мясных
фракций из костной массы определяется из
выражения
е = уР/а .
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ КРИОЭЛЕКТРОСЕПАРАЦИИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
715
Конструкции криоэлектросепараторов.
Основные виды криоэлектросепараторов сле-
дующие: коронно-камерные, электростатиче-
ские камерные, барабанные, ленточные, лотко-
вые и др. Классификация отражает особенно-
сти конструкций аппаратов, обусловленные,
главным образом, видом и расположением
электродов.
Коронн о-камерн ы й эл ектросепаратор
предназначен для разделения сыпучих пище-
вых смесей, например замороженного мясоко-
стного сырья (рис. 8.47). Сепаратор предназна-
чен для работы как в атмосферных условиях,
так и при остаточном давлении. Работает сепа-
ратор следующим образом (в атмосферных
условиях). Диспергированную смесь подают в
загрузочный бункер, откуда тонким слоем она
ссылается между электродами 2 и 77. Здесь
сырье заряжается ионным потоком, движу-
щимся от коронирующего электрода 2 к зазем-
ленному 77. Под действием электрического
поля частицы, получившие больший заряд,
меняют траекторию движения и движутся к
заземленному электроду 77, попадая в соответ-
ствующие приемники, и затем ссыпаются в
бункер на шлюзовой затвор 7. Частицы, полу-
чившие меньший заряд (костная фракция),
незначительно изменяют траекторию движения
и попадают в шлюзовой затвор 5. В шлюзовой
затвор 6 попадает обогащенная фракция, ко-
торую направляют на повторное сепарирова-
ние.
Камерный электросепаратор для разделе-
ния пищевых смесей (рис. 8.48), работает сле-
дующим образом. Пищевая смесь, например
соединительная и костная ткани, подается в
питатель 5, где она трибоэлектризуется и на-
правляется в межэлектродное пространство.
Основная масса соединительной ткани под
действием кулоновских сил направляется в
сторону заземленного электрода 4 и затем в
сборник 7, а костная ткань поступает в сбор-
ник 8.
Часть компонентов (соединительной тка-
ни) под действием пондеромоторных сил при-
тягивается к коропирующему электроду 3, про-
скакивает его и направляется к диэлектриче-
скому электроду 2, а затем в сборник 6. На-
личие диэлектрического электрода позволяет
повысить эффективность разделения смесей
пищевых сыпучих продуктов.
Рис. 8.47. Коронно-камерный элекэросепаратор
для разделения сыпучих пищевых смесей
(стрелками показано направление
движения хладоиосигеля):
/ - камера с термоизоляцией; 2 - коронирующий
электрод; 3,4 - приемники для разделенных
продуктов; 5,6,7, 14- шлюзовые затворы;
8 - вакуумный насос; 9 - конденсатор; 10 - холо-
дильная установка; 11 - заземленный электрод;
12 - источник питания; 13 - загрузочный бункер
Для повышения эффективности процесса
разделения многокомпонентных пищевых сме-
сей разработан коронирующий камерный сепа-
ратор (рис. 8.49), электроды 2 в котором вы-
полнены секционированными в виде двух ря-
дов параллельных труб, установленных верти-
кально. Трубы могут вращаться вокруг своей
оси с различной скоростью, убывающей в на-
правлении движения разделяемой смеси.
В нем можно изменять межэлектродное рас-
стояние.
При необходимости система электродов
(секции) может питаться от индивидуального
источника питания 6. что расширяет функцио-
нальные возможности электросепараторов.
Электросепаратор может использоваться
также для классификации по крупности ком-
понентов смеси, причем классификация проис-
ходит в электростатическом поле каждой сек-
ции электродов.
В барабанных электростатических сепа-
раторах (рис. 8.50, а) используется эффект три-
бозарядки. Они применяются для разделения
716 Глава 8. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Рис. 8.48. Камерный электросепаратор
для разделения пищевых смесей:
/ - термоизолированная камера; 2 - диэлектрический
электрод; 3 - коронирующий электрод;
4 - заземленный электрод; 5 - питатель;
6, 7,8- сборники разделенного сырья;
9 - источник питания
V // //
Рис. 8.49. Электростатический
камерный сепаратор:
/ - питатель; 2 - система электродов; 3-5 - щетки;
6 - источник питания; 7-9 - направляющие
продуктов разделения; 10—13 — приемники
продуктов разделения
плохо проводящих электрический ток компо-
нентов смеси с близкими значениями электро-
проводности. Сырье подается в приемный бун-
кер сепаратора, перемещается по питателю, где
трибоэлектризуется, попадает на верхнюю
часть вращающегося осадительного (заземлен-
ного) электрода. В зоне между электродами 3 и
8 осуществляется разделение. При этом части-
цы сырья, получившие одноименный с элек-
тростатическим электродом заряд, задержива-
ются на барабане и попадают в приемник 6.
Частицы, получившие разноименные за-
ряды по сравнению с полярностью электроста-
тического электрода 8, отрываются от барабана
и поступают в приемник ” Плохо проводящие
электрический ток частицы, получившие не-
значительный заряд, удерживаются на вра-
щающемся барабане силами зеркального ото-
бражения и счищаются щеткой в приемник 5.
В барабанных коронных сепараторах
(рис. 8.50, б) коронирующие электроды, вы-
полнены проволочными, игольчатыми или
пластинчатыми. Частицы смеси, попадая на
вращающийся барабан (осадительный элек-
трод) 3, вносятся им в зону коронного разряда,
где на частицах оседает поток ионов, движу-
щихсяот коронирующего электрода 9 к осади-
тельному 3.
Плохо проводящие электрический ток
частицы смеси, получившие незначительный
заряд, удерживаются на вращающемся бараба-
на силами зеркального отображения и счища-
ются щетками 4 в приемник 5. С частиц,
имеющих большую проводимость, попадаю-
щих на вращающийся электрод, стекает заряд,
они перезаряжаются и, отталкиваясь от бара-
бана, направляются в приемник 7. Частицы
смеси с промежуточным значением электро-
проводности, а также более крупные, плохо
проводящие ток, отрываются от барабана под
действием силы тяжести, поступают в прием-
ник 6.
У барабанных коронно-электростатиче-
ских сепараторов (рис. 8.50, в) электростатиче-
ский электрод устанавливается по ходу движе-
ния частиц смеси за коронирующим. Обычно
полярность электростатического электрода
соответствует полярности коронирующего,
и частицы плохо проводящей смеси, получив-
шие незначительный по величине заряд в поле
коронного разряда, находясь на осадительном
электроде и попадая в зону электростатическо-
го ноля, сильнее прижимаются к барабану,
поскольку имеют заряд тою же знака, что и
электростатический электрод. Частицы с боль-
шей проводимостью, попадая на осадитель-
ный электрод, разряжаются, причем поле
электростатического электрода способствует
стеканию заряда и отрыву этих частиц от ба-
рабана.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ КРИОЭЛЕКТРОСЕПАРАЦИИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
717
Рис. 8.50. Схемы барабанных электросепараторов:
а - электростатического; б - коронного; в - коронно-электростатического, / - приемный бункер;
2 - питатель; 3 - осадительный электрод; 4 - щетка; 5-7- приемники, 8 - электросгагический (отклоняющий)
электрод; 9 - коронирующий электрод
Рис. 8.51. Диэлектрический сепаратор:
а - схема сепаратора: 1 - питатель; 2 - барабан; 3 - бифилярная обмотка; 4 - дополнительная
обмотка; 5 - коллектор; 6 - приемники продуктов; 7 - щетка; б - картина электрического поля системы в сило-
вых линиях без и при наличии частиц
В диэлектрических сепараторах разделе-
ние основано на различии в значениях и на-
правлениях пондеромоторных сил, действую-
щих на поляризованные частицы сырья, в не-
однородном электрическом поле.
На рис. 8.51, а представлен диэлектриче-
ский барабанный сепаратор, особенностью
которого является разделение пищевой смеси с
использованием электромагнитного поля, об-
разованного разноименно заряженными элек-
тродами. Действие сепараторов основано на
свойстве бифилярных обмоток, расположен-
ных на барабане, создавать высокое перемен-
ное электрическое ноле, индуцирующее на
поверхности частицы электрические заряды
различной полярности. Это приводит к образо-
ванию силы, прижимающей частицы к поверх-
ности изолированного проводника (рис. 8.51, б),
718 Глава 8. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ
причем при смене полярности направление
этой силы не меняется. Таким образом, на час-
тице происходит переполяризация зарядов.
За счет использования различия в физи-
ческих свойствах частиц производится их раз-
деление.
В ленточных электросепараторах исполь-
зуются силы, действующие на частицы в неод-
нородном электрическом поле (рис. 8.52). Лен-
точный сепаратор работает следующим обра-
зом. Сепарируемые частицы из бункера посту-
пают на диэлектрическую поверхность ленты
конвейера, верхняя ветвь которого перемеща-
ется между коронирующими электродами -
внешним и внутренним. В зависимости от
электрических сил разделяемые частицы по-
ступают в соответствующие бункера приемно-
го устройства (рис. 8.52, о), а оставшиеся уда-
ляются с ленты конвейера щеткой.
На рис. 8.52, б показан ленточный элек-
тросепаратор-горка. Особенность конструкции
этого электросепаратора состоит в том, что под
углом к падению частиц установлена скатная
доска, а рамки с коронирующим электродом
прикреплены к раме сепаратора шарнирно,
позволяя устанавливать переменную напря-
женность поля по ходу движения продукта.
В лотковых электросепараторах имеется
два расположенных один над другим электро-
да, образующих электростатическое поле. В
лотковом сепараторе МСР-1 (рис. 8.53) сыпу-
чая смесь поступает в бункер 6, далее через
питатель движется в центральную часть кони-
ческого заземленного электрода 3. Здесь под
действием колебаний, создаваемых электро-
двигателем 12 с дебалансом, смесь перемеща-
ется по ступенькам заземленного электрода 3.
Частицы смеси, получившие заряд, обес-
печивающий их притяжение к потенциальному
электроду /, движутся к нему, отделяясь от
нижнего электрода. При этом они попадают в
желоб вращающихся лонаi ок 4 и под действи-
ем центробежных сил выводя 1ся из электриче-
ского поля.
Тяжелые частицы, проходя ступенчатый
заземленный электрод в нижней его части,
разделяются на ситовом участке. Благодаря
наличию электрического поля крупные части-
цы одного компонента проходят через отвер-
стия сит, а остальная часть смеси удерживается
на их поверхности и скатывается оттуда.
Фракция частиц, поступившая в поддон 8,
направляется на сита дальнейшего разделения
по размерам. Крупная фракция, не проходящая
через отверстия сита //, удаляется из аппарата
через патрубок 14, а мелкая направляется на
дальнейшее разделение - на сито 10, откуда
частицы удаляются через патрубок 13.
В пневмоэлектросепараторах обрабаты-
ваемое сырье находится во взвешенном со-
стоянии. Одним из видов таких сепараторов
является флюидизационно-электростатический
сепаратор, в котором тонкодисперсное сырье
заряжается в псевдоожиженном слое, после
чего разделяется на фракции при прохождении
вместе с потоком воздуха через электрическое
поле (рис. 8.54).
Рис. 8.52. Ленточный электросепаратор:
а -коронный: / - корпус; 2 - загрузочный бункер; 4 - лента конвейера; 3,7 - направляющие диски;
5,6- внешний и внутренний коронирующие электроды; 8 - приемное устройство; 9 - изоляторы; 10 - щетка;
б - наклонный - горка: / - сепарируемая смесь; 2,10 - рамки; 3 - коронирующий электрод; 4 - заземленный
электрод; 5 - скатная доска; 6 - шнек; 7 - кожух; 8 - загрузочный бункер; 9 - генератор;
//, /4-приемныеустройства; /2-полотно; /3-вал
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
719
Рис. 8.53. Лотковый электросепаратор МСР-1 для разделения пищевых смесей:
1 - потенциальный электрод; 2 - каркас; 3 - заземленный электрод; 4 - желобообразные лопатки;
5 - питатель; 6 - бункер; 7 - участок для распределения сит; 8,9 - поддоны; 10, 11- сита;
12 - электродвигатель; 13, 14, 15 - патрубки для отвода фракций; 16 - ступеньки;
17 - рама; 18 - подшипник
Ю 21 22 П ЛГ
Рис. 8.54. Пневмоэлектросепаратор для разделе-
ния многокомпонентного пищевого сырья:
1,3- всасывающий и нагнетательный трубопро-
воды; 2 - вентилятор; 4 - охлаждающий прибор;
5 - загрузочный бункер; 6 - лоток; 7 - щеточный
барабан; 8 - направляющие планки; 9 - питатель;
/0 - диэлектрический козырек; / / - высоковольтный
подвижный электрод; 12 - диэлектрическая плос-
кость; 13 - заземленный электрод с отверстиями;
14-19 - шлюзовые затворы; 20-25 - приемные
бункера
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бенгтссон, Олесон. СВЧ-нагрев в пи-
щевой промышленности // ТИИЭР, 1974. Т. 62.
№ 1. С. 52-66.
2. Электрофизические, оптические и
акустические характеристики пищевых про-
дуктов / Под ред. И.А. Рогова. М.: Легкая и
пищевая промышленность, 1981. 265 с.
3. Metaxas Ac., Meredith R.J. Industrial mi-
crowave Heating. London, P.Peregrinus, Ltd. 1983.
4. Архангельский Ю.С., Девяткин И.И.
Сверхвысокочастотные нагревательные уста-
новки для интенсификации технологических
процессов. Саратовский университет, 1983. 138 с.
5. Материалы шестой Всесоюзной науч-
но-технической конференции «Электрофизиче-
ские методы обработки пищевых продуктов и
сельскохозяйственного сырья. М., 1989. 416 с.
6. Рогов И.А., Некрутман С.В. Сверхвы-
сокочастотный и инфракрасный нагрев пище-
вых продуктов. М.: Пищевая промышленность,
1976.210 с.
7. Рогов И.А. Электрофизические методы
обработки пищевых продуктов. М.: Агропром-
издат, 1988. 272 с.
8. Воробьев В.В. Прогрессивные СВЧ-
технологии обработки гидробионтов // Рыбное
хозяйство. 1994. № 1. С. 43 - 46.
9. Воробьев В.В. СВЧ-установка для раз-
мораживания рыбы и морепродуктов // Анали-
720
Глава 9. УПАКОВОЧНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
тическая и реферативная информация ВНИ-
ЭРХ. Обработка рыбы и морепродуктов. М.:
1997. Блок 5. Вып. 3. С. 17 - 19.
10. Воробьев В.В. Проблемы и перспек-
тивы переработки двустворчатых моллюсков И
Рыбное хозяйство. 1993. № 5. С. 29 - 31.
11. Остапенков А.М. Стерилизующие
свойства ЭВП СВЧ-диапазона // Электронная
обработка материала. № 1. 1981. С 68 - 71.
12. Лыков А.В. Тепломассообмен. М.:
Энергия, 1978.
13. Ильясов С.Г., Красников В.В. Физи-
ческие основы инфракрасного излучения пи-
щевых продуктов. Пищевая промышленность,
1978,359 с.
14. Кретов И.Т., Остриков А.И., Крав-
ченко В.М. Технологическое оборудование
предприятий пищеконцентратной промышлен-
ности. Воронеж: Воронежский университет,
1996. 446 с.
15. Левитин И.Б. Применение инфра-
красной техники в народном хозяйстве. Л.:
Энергоиздат, 1981.264 с.
16. Джабель Аль-Саади. Качество цит-
русовых соков, полученных методом электро-
плазмолиза // Новые физические методы обра-
ботки пищевых продуктов. М.: 1967. С. 28 - 29.
17. Коган Ф.И. Электрофизические ме-
тоды в технологии консервирования пищевых
продуктов. Киев, «Техника», 1968, 123 с.
18. Рогов И.А., Горбатов А.В. Физиче-
ские методы обработки пищевых продуков. М.:
Пищевая промышленность, 1974. С. 362.
19. Карпиленко П.Г., Джабраилов А.Д.
Исследование влияния продолжительности
хранения дрожжей на режимы обработки И
Применение современных физико-химических
и биотехнологических методов при производ-
стве пищевых продуктов. М.: 1997, С. 46-47.
20. Карпиленко П.Г., Джабраилов А.Д.
Влияние электроконтактной обработки дрож-
жей на качество батонов И Применение совре-
менных физико-химических и биотехнологиче-
ских методов при производстве пищевых про-
дуктов. М.: 1997. С. 47 - 49.
21. Карпиленко П.Г., Джабраилов А.Д.
Влияние способов выращивания расы дрожжей
на режимы обработки И Молодые ученые -
пищевым и перерабатывающим отраслям АПК.
Тезисы докладов. М.: 1997. С. 61 -62.
22. Дзенис В.В. Применение ультразву-
ковых преобразователей для неразрушающего
контроля. Рига: Зинатне, 1987.
23. Методы вибрационной диагностики
реологических характеристик мягких материа-
лов и биологических тканей. Горький: ИПФ
АН СССР, 1989.
24. Новое ультразвуковое технологиче-
ское оборудование и аппаратура, опыт их при-
менения в промышленности. М.: Научный со-
вет АН СССР по проблеме « Акустика», 1991.
25 Рогов И.А., Бабакин Б.С., Выго-
дин В.А. Электрофизические методы в холо-
дильной технике и технологи. М.: Колос,
1996,336 с.
26. Физические основы электросепара-
ции / Под ред. В.П. Ревнивцева. М.: Недра,
1983.271 с.
27. Плаксин Ю.М., Азарскова А.В. Тео-
ретические основы лучистого теплообмена в
инфракрасных установках и их расчет. М.:
Издат. комплекс МГУПП, 2001. 54 с.
28. Халед А.Ф. и др. Экспериментальное
исследование герморадиационных характери-
стик экструдатов. М.: АгроНИИ ГЭИПП, 1993.
С. 25-28.
29. Плаксин Ю.М. К вопросу создания
инфракрасного оборудования для пищевой про-
мышленности. Науч, труды МГУПП. С. II. 1996.
30. Плаксин Ю.М., Азарскова А.В. Соз-
дание и совершенствование инфракрасного обо-
рудования в пищевом подкомплексе АПК // Сб.
науч, трудов МГУПП, М.: 2001. С. 364 - 369.
Глава 9
УПАКОВОЧНЫЕ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
Единое общепринятое понятие, что такое
упаковочное оборудование, в настоящее время
еще не сформулировано. Однако, совершенно
очевидно, что оно должно основываться на
исходном понятии - упаковка. Последняя име-
ет два аспекта. Один подразумевает под упа-
ковкой некоторую дискрету потребления, т.е.
потребительскую единицу определенного со-
держания с присущим ей комплексом свойств.
Это то, что на практике обычно соответствует
понятиям штука, комплект, экземпляр, набор,
ассорти и т.п. Второй соотносится с процессом
упаковывания, г.е. с определенной последова-
тельностью действий, итогом которых является
упаковка в первом смысловом значении. В
самом общем случае под упаковочным обору-
дованием следует понимать некоторое множе-
ство технологических машин, функцией кото-
рых является производство упаковок различно-
го вида.
УПАКОВОЧНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
721
Чтобы определить структуру этих машин
и характер их основных элементов, необходи-
мо четкое представление о структуре упаковки
как дискрете потребления, а также определен-
ные данные о собственно процессе упаковыва-
ния. Последнее совершенно необходимо для
определения организационного строения ма-
шины: однопоточная или многопоточная; по-
следовательного или параллельного действия;
ручная, полуавтоматическая или автоматиче-
ская и т.п. Что же касается упаковки как дис-
креты потребления, а если говорить еще шире,
как единицы общественного товарооборота, то
она является согласованным единством трех
исходных элементов (рис. 9.1): некоторого
количества (дозы) продукта, подлежащего упа-
ковыванию; определенной дозы (ящик, пакет,
требуемое количество упаковочного материала
и т.п.) того, во что упаковывается продукт и
определенной дозы информации о данной упа-
ковке.
Эти три исходные элемента формируют
общепринятое понятие товарной единицы по-
требления - товара. Отсюда под упаковочной
машиной нужно понимать функциональное
единство элементов (деталей, механизмов,
устройств и др.), производящих упаковку тре-
буемого содержания в заданном временном
режиме.
Общая принципиальная структурная схе-
ма упаковочной машины следующая (рис. 9.2):
1) накопители исходных элементов (бун-
кер, магазин, рулон, кассета и т.д.);
2) устройства (дозаторы), формирующие
функциональную дискрету (дозу) каждого ис-
ходного элемента:
3) транспортные устройства, подводящие
дозы в зону их взаимодействия;
4) исполнительные устройства, реали-
зующие взаимодействия доз.
5) транспортное устройство, выводящее
полученную упаковку из упаковочной машины.
На практике в зависимости от конкретно-
го содержания данного упаковочного процесса
структурная схема может состоять из довольно
большого числа компонентов. Например,
структурная схема упаковывания трехкомпо-
нентной смеси в стеклотару, закрываемую
крышкой, имеет вид, представленный на рис. 9.3.
В последнее время вследствие массового
использования полимерных материалов для
упаковывания различных продуктов все чаще
создается технологическое оборудование, в
котором наряду с упаковочными операциями
включаются процессы изготовления тары. Стро-
го это оборудование нельзя отнести к упако-
вочному. Приходится говорить о технологиче-
ских комплексах, характерной особенностью ко-
торых является то, что в одной технологической
цепочке соседствуют часто очень различные
по своей физической природе технологические
Рис. 9.2. Структурная схема упаковочной машины
722
Глава 9. УПАКОВОЧНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
Рис. 9.3. Структурная схема фасовки трехкомпонентной схемы
операции. Кроме того, нередко эти операции
очень сильно отличаются друг от друга по дли-
тельности их технологических циклов. Все это
создает дополнительные трудности при созда-
нии подобных комплексов по согласованию их
эксплуатационных характеристик в рамках
единой технологической цепочки.
Существует две принципиальные схемы
формирования упаковки:!) продукт в готовую
тару; 2) формирование упаковки по продукту
методом заворачивания.
Примером первой схемы может служить
автоматическая технологическая система (ав-
томат) для упаковывания сыпучего продукта в
тару в виде картонной коробки со вкладышем
из рулонного упаковочного материала, кото-
рый формируется непосредственно на автома-
те. Автомат включает питатель для картонных
высечек коробок, питатель рулонного материа-
ла, устройство для формирования вкладыша,
конвейер, дозатор и накопитель готовых упа-
ковок. Процесс упаковывания происходит сле-
дующим образом (рис. 9.4). От рулона 2 отре-
зается нужная мера рулонного материала для
вкладыша 3 и на оправках 4 и 5 из него форми-
руется вкладыш. Из накопителя 1 подается
очередная высечка картонной тары, на нее на-
носится клей и затем ею оборачивается вкла-
дыш, находящийся на оправке 6 и фиксируется
продольный клеевой шов.
На оправках 7 и 8 закрываются и заклеи-
ваются клапаны донышка коробки и наносится
маркировка даты фасовки. С оправки 9 снима-
ется коробка с вкладышем, поворачивается в
вертикальное положение и устанавливается на
конвейер для заполнения продуктом. Конвейер
перемещает открытые коробки 10 под шнеко-
вый дозатор 20.
После весового контроля дозы и уплот-
нения продукта, верхние клапаны 11 коробки
отгибаются, складываются кромки вкладыша
12 и 13, закрываются верхние внутренние кла-
паны коробки 14 и /5, наносится клей на на-
ружный верхний клапан 16 и закрываются
верхние клапаны 17. Готовые коробки 18 нака-
пливаются на конвейере для фиксации верхне-
го склеенного шва. Затем на поперечном кон-
вейере из них формируют группы коробок 19.
Вторая схема формирования упаковки
может быть проиллюстрирована технологией
заворачивания штучного изделия (рис. 9.5).
Упаковываемый продукт 4, обычно прямо-
угольной формы (плитка шоколада, брикет
халвы и др.), подается на подъемный стол 5. В
позиции а на продукт накладывается требуемая
мера запечатанного упаковочного материала /
и 3 с нанесенным слоем клея 2 на наружном
слое упаковочного материала /.
В позиции 6 продукт и упаковочный ма-
териал, удерживаемые при сжатии столиком 5
и держателем 6. продвигаются через рамку 7 со
скосами 8, которые подгибают уголки 9 и 10 к
торцовой стороне продукта 11 (положение в).
В позиции г два ползуна 12 подгибают
торцовые загибы упаковочного материала.
В позиции д подъемный столик 5 опуска-
ется, а изделие 4 поддерживается ползуном 12,
ползун 14 подгибает сторону упаковочного
материала без клея. В позиции е ползун 13
продвигает изделие в зазор между неподвиж-
ными направляющими 15 и 16. За время про-
хождения изделия по направляющим 15 и 16
происходит фиксация клеевого шва.
УПАКОВОЧНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
723
Рис. 9.4. Схема упаковки «продукт в готовую тару»
Рис. 9.5. Схема формирования упаковки по методу заворачивания
Создание упаковочного оборудования.
Сначала необходимо сформулировать принци-
пиальный подход, т.е. определить концепцию
этого сложного многофакторного процесса.
Общие тенденции развития любого технологи-
ческого оборудования заключаются в том, что
машины становятся все более конструктивно
сложными, их технологические режимы рабо-
ты все ближе подходят к практически и даже
теоретически предельным. Свойства машины
данного типа, характеризующие ее универ-
сальность, входят во все более острые антаго-
нистические противоречия со свойствами, при-
дающими машине статус специальной.
Постоянно возрастающая динамика изме-
нения предметов производства, а следователь-
но, оперативного изменения технологических
свойств машин, требует с одной стороны их
гибкости, а с другой стороны - темпы роста
стоимости новых машин объективно выше
724
Глава 9. УПАКОВОЧНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
темпов наращивания их технологических ха-
рактеристик. Это приводит к тому, что удель-
ная функциональная польза машин постоянно
дорожает. Все это диктует создание новых
машин со строго регламентированными и эко-
номически обоснованными технологическими
свойствами. Машины с неоправданно расши-
ренными технологическими свойствами, не
используемыми при ее эксплуатации, делают
машину неэффективной, а следовательно, в
итоге не пользующейся спросом.
Чрезвычайно важным для создания эф-
фективной машины является выбор ее техно-
логической структуры, оптимальной в данных
условиях.
Возможны две различные технологиче-
ские схемы взаимодействия исходных элемен-
тов упаковки: параллельная и последователь-
ная. Параллельная схема заключается в совме-
щении во времени всех функциональных взаи-
модействий данного процесса. Здесь техноло-
гический цикл машины определяется макси-
мальным по длительности функциональным
взаимодействием.
Несмотря на то, что теоретически эта
схема максимально производительна, ее реали-
зации на практике довольно редки. Это объяс-
няется сложностью, а часто просто принципи-
альной несовместимостью данного комплекса
функциональных взаимодействий.
Последовательная схема, применительно
к процессу упаковывания состоит в том, что
сначала один из исходных элементов вводится
во взаимодействие с одним из двух других, а
затем третий оставшийся взаимодействует с
результатом взаимодействия двух первых эле-
ментов. В этом случай технологическое время
равно сумме всех последовательных технологи-
ческих взаимодействий (операций, стадий, эта-
пов и т.п.).
Возможны шесть структурных схем по-
следовательного взаимодействия исходных
элементов процесса упаковывания. Для упро-
щения понимания каждой из шести схем в ка-
честве примеров приняты следующие частные
интерпретации трех исходных элементов: Т -
тара, П - продукт, Э - этикетка.
Технологические схемы упаковочной
машины различаются последовательностью
бинарных взаимодействий исходных элемен-
тов, что обусловливает множество конструк-
тивных решений исполнительных механизмов
и устройств, а также их компоновок. Для ука-
занных исходных элементов эти схемы будут
следующими:
Т-П-Э - заполнение тары дозой продукта,
наклеивание этикетки:
Т-Э-П - нанесение информации на упако-
вочный ма!ериал, заворачивание в нею дозы
продукта;
П-Т-Э - заворачивание дозы продуктов в
упаковочный материал, наклеивание этикетки;
П-Э-Т - нанесение необходимой инфор-
мации непосредственно на дозу продукта, по-
мещение его в тару;
Э-П-Т - нанесение на носитель информа-
ции дозы продукта, помещение их в тару;
Э-Т-П - этикетирование тары, заполнение
ее продуктом.
Совершенно очевидно, что при различ-
ных структурных схемах упаковывания одного
и того же продукта конструктивные решения
упаковочной машины будут различными, так
же как и их технологические и эксплуатацион-
ные характеристики.
Рассмотрим некоторые наиболее распро-
страненные схемы упаковочных машин.
Схема Т-П-Э - технологическая последо-
вательность формирования упаковки здесь
будет следующей:
подача тары (бутылка, коробка, пакет и
т.п.) на позицию заполнения их продуктом
(жидким, сыпучим, вязким, одно- или много-
компонентным);
заполнение тары из дозирующего устрой-
ства (весового, объемного, шнекового или дру-
гого типа);
передача тары с продуктом на позицию
герметизации (заваривание, заклеивание, меха-
ническое фиксирование и т.п.);
передача на позицию для нанесения не-
обходимой информации, в частности этикети-
рование одно- или многоэлементное (этикетка,
контр-этикетка, кольеретка, акцизная марка и
др);
вывод упаковки из ТС и реализация при
необходимости процесса групповой упаковки в
транспортную тару с соответствующим нане-
сением информации и герметизацией.
Наиболее точно этой схеме соответствует
розлив напитков в стеклянную или полимер-
ную тару.
Схема Т-Э-П - чаще всего реализуется в
два этапа: 1) запечатывание пленочного упако-
УПАКОВОЧНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
725
вочного материала в виде рулона на полигра-
фическом печатном оборудовании; 2) завора-
чивание дозы продукта в пленку с герметиза-
цией с помощью сварных швов и последую-
щим формированием групповой упаковки.
Схема П-Т-Э также обычно двухстадий-
ная: 1) заворачивание продукта в незапечатан-
ный упаковочный материал; 2) этикетирование
на специальном оборудовании.
Схема П-Э-Т соответствует случаю, когда
информация обычно в виде клейма наносится
непосредственно на продукт (шоколад, мясо,
мыло и т.п.), а затем маркированный продукт
укладывается в ту или иную тару.
Схема Э-П-Т состоит в том, что на упако-
вочный материал в виде, например, ленты с
нанесенной на нее информацией, укладывают-
ся с определенным интервалом семена расте-
ний и фиксируются клеем. Затем эта упаковка
используется в качестве посадочного материала.
Схема Э-Т-П наиболее точно соответст-
вует упаковыванию продукции в тару (бутыл-
ка, коробка и др.) с предварительным ее этике-
тированием на соответствующем оборудова-
нии.
Подобный структурный подход к созда-
нию упаковочного оборудования позволяет по
меньшей мере решить две важные проблемы.
Первая состоит в том, что при анализе
технологических возможностей действующего
парка упаковочной техники имеется ограни-
ченное количество вариантов его компоновки,
которые соотносятся с указанными структур-
ными схемами. При этом для каждого конкрет-
ного случая упаковывания могут быть заранее
рассчитаны эксплуатационные характеристики,
а следовательно, эффективность каждого вари-
анта технологической системы.
Вторая проблема относится к синтезу но-
вых, оригинальных, нетрадиционных техноло-
гических схем упаковывания данного продук-
та. При этом важно то, что для каждой теоре-
тически возможной схемы упаковывания дан-
ного продукта заранее могут быть рассчитаны
ее технологические возможности и установле-
ны объективные пределы эксплуатационных
характеристик. Таким образом, открывается
возможность структурного синтеза упаковоч-
ного оборудования с заранее заданными свой-
ствами.
Выбор оптимальной технологической
структуры машины зависит от большого коли-
чества факторов и является наиболее ответст-
венным этапом ее создания. Упаковываемый
продукт (предмет) имеет определяющее значе-
ние для выбора структурной схемы. Прежде
всего это зависит от вида продукта (штучного,
жидкого, газообразного) и спектра его свойств
(химических, физических, реологических и
др.). Существенно и го, чго продукт является
одно- или многокомпонентным.
Требования к упаковке одного и того же
продукта могут быть довольно различными в
зависимости от того, как предполагается ис-
пользовать данный продукт: при коротком или
длительном сроке хранения; с единовремен-
ным или дробным использованием данной
дозы и т.д. Добавление к этой информации
сведений об общем объеме упаковываемого
продукта позволяет выбрать наиболее прием-
лемый для данных условий технологический
метод упаковывания. Это в свою очередь опре-
деляет практически полный перечень опера-
ций, которые должны быть реализованы с по-
мощью проектируемой упаковочной машины.
Следующим шагом при создании маши-
ны является выбор приемлемого варианта реа-
лизации во времени заданного набора опера-
ций. Это связано с необходимостью обеспече-
ния требуемой производительности упаковоч-
ной машины. Каждой отдельной операции в
данном методе упаковывания соответствуют
определенные затраты времени. Наиболее дли-
тельная операция является лимитирующей
даже при полном совмещении разных опера-
ций во времени. Как правило, ослабить или
ликвидировать ограничение по производитель-
ности, определяемые лимитирующей операци-
ей, за счет изменения ее технологических ре-
жимов не удается. Поэтому для данного метода
упаковывания это возможно сделать только
путем выбора иной технологической структу-
ры машины. Например, реализовать на лими-
тирующей операции принцип многопоточно-
сти. В этом случае, когда лиминирующей опе-
рацией является дозирование, предусматрива-
ют увеличение числа дозирующих устройств,
работающих параллельно. Чаще всего это име-
ет место при использовании весовых дозато-
ров, что приводит к резкому увеличению стои-
мости оборудования, так как дозатор в нем, как
правило, является наиболее дорогим устройст-
726
Глава 9. УПАКОВОЧНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
вом. Использование многопоточных техноло-
гических структур оборудования наиболее
эффективно при упаковывании больших объе-
мов продуктов в малых дозах: лекарственных
препаратов, парфюмерии и др. Перспективным
в этом случае следует считать создание упако-
вочного оборудования на базе многопоточных,
быстропереналаживаемых дозаторов пассивно-
го типа (делителей).
Рассмотренные выше технологические
схемы упаковочных машин относятся к разря-
ду полных, так как в них реализуется комплекс
бинарных взаимосвязей между тремя исход-
ными элементами. Однако существуют так
называемые неполные схемы, в которых при-
сутствуют те или иные отдельные операции
процесса упаковки. Например, это может быть
этикетировочная, обандероливающая, фасо-
вочная, укупорочная, термоусадочная машины.
Они могут работать как автономно, так и со-
вместно с другими машинами, образуя машин-
ные комплексы. В указанных ситуациях при-
ходится говорить о создании упаковочных
машинных систем с различными видами внут-
ренних связей между их структурными элемен-
тами. Комплекс задач, подлежащих решению
при этом, по сути, остается таким же, как и при
создании упаковочной машины по полной схе-
ме. Это, прежде всего, вопросы совместимости
отдельных элементов по технологическим па-
раметрам и обеспечения их эффективного
функционирования в единой технологической
цепи. Наиболее часто приходится решать во-
просы синхронизации технологических циклов
различных машин из-за их разной длительно-
сти, нередко весьма значительной. При этом
общая производительность данной технологи-
ческой цепочки всегда определяется лимити-
рующим по производительности звеном.
Следует различать еще одну практиче-
скую ситуацию при создании упаковочной
машины или комплекса машин, когда по тем
или иным причинам какие-то устройства, ме-
ханизмы или отдельные машины в будущем
комплексе предопределены заранее. При этом
технические и эксплутационные характеристи-
ки создаваемой технологической системы
должны быть согласованы с соответствующи-
ми характеристиками заданного элемента.
Рассмотренные варианты создания упа-
ковочного оборудования относятся к случаю
автономной его работы. Однако на практике
часто создаются производственные системы, в
которых упаковочное оборудование использу-
ется в составе единой технологической струк-
туры по изготовлению того или иного вида
продукта.
В этом случае упаковочные операции на-
зывают конечными, а их технические и экс-
плуатационные характеристики определяются
соответствующими выходными параметрами
технологического процесса изготовления упа-
ковываемого продукта. В подобных ситуациях
универсальное упаковочное оборудование час-
то оказывается неэффективным или вообще
непригодным, что неизбежно приводит к необ-
ходимости специальных конструкторских раз-
работок, как собственно упаковочных машин,
так и различных вспомогательных устройств и
механизмов. Примером последних может слу-
жить устройство, сочетающее в себе функции
группиратора готовой продукции и укладки ее
в транспортную тару. На рис. 9.6 представлена
технологическая схема укладки бутылок в
стандартные ящики в виде шести ее функцио-
нальных положений:
I - захватная головка 1 находится над бу-
тылочным конвейером 2, заполненным бутыл-
ками до упора 3;
II - захватная головка опущена, а ее па-
троны фиксированы на головках бутылок;
Ш - захватная головка с бутылками под-
нята вверх, центратор ящиков опущен, ящики
фиксированы зажимами;
IV - бутылки над ящиком, конвейер по-
дает бутылки до упора 3;
V - захватная головка опускает бутылки в
ячейки ящика;
VI - захватная головка возвращается в
исходное положение.
Все рассмотренные случаи создания упа-
ковочного оборудования и технологических
систем требуют учета конкретных условий их
реализации, однако в целом проектирование
указанного вида оборудования сводится к по-
следовательности его этапов, приведенной в
табл. 9.1.
УПАКОВОЧОНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
727
Рис. 9.6. Технологическая схема групповой укладки бутылок
9.1. Этапы создания упаковочного оборудования
Этап Содержание этапа Результат
1. Маркетинговые исследования Определение структуры спроса на данный продукт: величина дозы или доз, общий объем, временная характеристика спроса, желательный вид упаковки Вид упаковки, номенк- латура доз, производитель- ность упаковочного обору- дования
2. Выбор струк- турной схемы процесса упаковывания данного продукта Анализ возможных методов упа- ковывания и технологических схем их реализации Оптимальная техноло- гическая схема упаковыва- ния данного продукта
3. Разработка функ- циональной схемы упа- ковочного оборудования Анализ вариантов конструктор- ских решений данной технологиче- ской схемы Компоновочная схема проектируемого оборудова- ния
4. Проектирование оборудования с задан- ными свойствами Расчет и конструирование упа- ковочного оборудования Проектная документа- ция
предметный указатель
А
Автоклав 544
Агрегат для пароводотермической очистки
корнеплодов 173
-для паровой очистки корнеплодов 172
Активность дрожжей зимазная 703
Алгоритм диагностики оборудования 51
Алюминий и его сплавы 130
Анализ спектральный 60
Аппарат выпарной пленочный 531
- роторный 532
- пластинчатые 558. Расчет аппаратов 560
Аппараты для охлаждения тушек птицы 606.
Расчет - 607
- теплообменные с очищаемой поверхно-
стью 557. Конструктивные особенности 557
- скребки 558
Аспиратор 178
Б
Баланс тепловой канала 577
- пекарной камеры 573
- печного агрегата 575
Батареи охлаждающие 602
Биосмеситель 415, 420
Блок питания магнетрона 670
Бронза оловянная, литейная 131
- безоловянная 131
В
Вакуум-фильтр барабанный 348
Вакуум-кристаллизатор 639
Варка 549
Вентилятор диаметральный 179
Вентиляция пекарной камеры 574
Веретено 392
Виброакустика 89
- мясорубки 300
- картофелечистки 109
Винипласт листовой 132
Воздухоохладители 597. Классификация 598.
Расчет 601
- с электроконвективным воздушным по-
током 601
Волновод квазикоаксиальный 670
- диафрагмированный 679
Время смешения 436, 442
- ударного контакта зерновых культур 290
Выпечка хлеба 565
Вытеснение идеальное 434
Г
Гидроциклоны. Классификация 361. Методи-
ка расчета 364. Применение 354
Глубина проникновения электромагнитной
энергии 660
Гранулирование 470
Гранулы поливинилхлоридные 131
Грузы штучные 219
д
Давление рабочей жидкости в гидравлическом
прессе. Расчет 402
Датчики физических величин интеллектуаль-
ные 53
- самоаттестующиеся 53
Движение зерна по несущей триерной по-
верхности 195
Деаэратор 542
Декантер 381
Дерево свойств оборудования 74
Диагностика оборудования техническая 54.
Автоматизированная система. Общий подход 52
- вальцового станка 55, 58
- комплексная 50
- электродвигателя 56
Динамика оборудования 104
- реологическая 66
Диск напорный 392
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
729
Диспергирование ультразвуковое 708
Диссектор 667
Длина волны 653
Доза загружаемого в пресс продукта опти-
мальная. Расчет 404. Одноступенчатое прессо-
вание 404. Многоступенчатое прессование 404
Дороги подвесные монорельсовые 226
Ж
Жидкость буферная 392
3
Зарядка частиц 713
Значение измеренное подтвержденное (ПИЗ)
54
Зоны смешения 443
И
Изделия резиновые технические 132
Излучатель рупорный 666
Измерение диэлектрических свойств 662
ИК-излучение. Природа и воздействие 683.
Источники 688. Область применения 687
ИК-оборудование. Классификация 691. Расчет
697. Характеристики 692
Индекс производительности 378
Интеграция оборудования 50
Интенсивность объемная 583
Испарители 593. Классификация 593
- кожухотрубные 593
- панельные 595, 596
- пластинчатые 596. Расчет 596, 597
Испытания оборудования на надежность 82.
Планирование 82. Определение объема 82.
Продолжительность 84
К
Калибровщики 325
Камера коптильная 554
- месильная 412
- пекарная 564
- рабочая(аппликатор) 666
- с бегущей волной 668
- с неограниченным объемом 666
- с ограниченным объемом 666
- со стоячей волной 666
Камеры замораживания мяса 610. Расчет 610
- охлаждения мяса 602. Расчет 605
Камнеотборник 198. Методика расчета 200
Канал пневмосепарирующий 177
Качество смешения 434
Кинематика реологическая 65
Кинетика процесса выпечки 566
Классификация вертикальных конвейеров
255
- воздушных сепараторов 177
- машин ударного действия 292
- прессового оборудования 459
- хлебопекарных печей 563
Колебания прямолинейные возвратно-посту-
пательные 330
- вращательные вокруг вертикальной оси
330
- сложные в вертикальной плоскости 329
Колебатель дебалансный 184
- маятниковый 184
- самобалансный 184
- эксцентриковый 184
Колонка аспирационная 177
Комплекс технологический 721
Компонент ключевой 435
Конвейеры 232
- винтовые 261
- двухцепные 260
- инерционные 262
- крутонаклонные 242
- ленточные 232
- пластинчатые 244
- подвесные 250
- роликовые 262
- скребковые 247
- тележечные 249
- четырехцепные вертикальные 254
- шагающие 262
- конвейеры-элеваторы 250
Конструирование техники 12
Контроль ультразвуковой 709
Концентрация ключевая 434
Коншмашина ротационная 421
Координата критическая 330
Копчение 553, 556
Котел варочный 549. 550
Коэффициент вариации 60
- восстановления нормальной скорости
зерновых культур 289.
- гидравлического сопротивления 447
- неоднородности 434
- поперечного смешения 434
- продольного смешения 434
-диффузии 616.627
- жесткости 185
- заполнения 416
- инжекции 535
- стоячей волны по напряжению (КСВН)
672
- весомости показателей качества 77
КПД дробилок и процесса измельчения 296
- технологический 395
Кратность перемещения 434
Кривая равновесная 409
Кривые изменения скорости газообразования
безопарного теста 704
730
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
-уплотнения 409
Криоэлектросепараторы 715
Криоэлектросепарация 712
Кристаллизатор-охладитель 637
Кристаллизация 636
Критерий Био 616
-Фурье 616
- Шервуда 617
- KQ 395
- Рейнольдса 214
Крупоотделитель 329
Л
Ламинатор 517
Латунь Л63 131
Линии технологические для вторичной пере-
работки сырья 39
- технологические для комбинированной
переработки сырья 43
- технологические для первичной перера-
ботки сырья 33
- первичной переработки крупного рога-
того скота 35
Линия коаксиальная 663
- технологическая. Производительность
теоретическая 46
— техническая 46
эксплуатационная 48. Эффективность
функционирования 19
— вареных колбас 46
— какао-порошка 43
— растительного масла 37
— сахара-песка 33
— хлеба 42
— шоколада 43
Лифты 230
М
Магнетрон 665
Материалы конструкционные 126
-пищевые 412
-однофазные 412
-двухфазные 412
-трехфазные 412
- сыпучие 413
- вязкие 413
- средневязкие 413
- высоковязкие 413
Машина сбивальная 422
Машины взбивальные 449, 455
- для тонкого измельчения вареных про-
дуктов 303
- для приготовления картофельного пюре
308
- для разрезания мяса и рыбы 316
- для перемешивания 449
- для замеса крутого теста 454
- для нарезки гастрономических товаров
322
- интенсивного замеса 454
- картофелеочистительные (картофелечи-
стки) 169, 174
— дисковые 174
— конусные 174
- кондитерские размолочные 300
— универсальные 454
- с колебателем инерционным самоба-
лансным 190
— с маятниковым 193
— с эксцентриковым 184
- котлетоформовочные 515
- протирочные 305, 449
- протирочно-резательные 305
- тестомесильные 449, 453
- тестораскаточные 516
- для мойки наполненных банок 283
- порожней стеклянной тары 279-282
- плодов и овощей барабанные 157
— вентиляторные 158
— вибрационные 161
--лопастные 156
— щеточные 160
- для очистки отсадочные. Расчет пара-
метров отсадки 499
- растительного сырья периодического
действия 170
— непрерывного действия 171
- для прессования сыпучих продуктов 475
- таблетирующие 476
- штампующие для конфет 463
— для макаронных изделий 463
— для мучных изделий 462
Медь 131
Мельница пятивалковая 421
Место рабочее автоматизированное (РМА) 52
Метод оценки уровня качества 77
дифференциальный 77
комплексный 77
корреляционный 78
номинальных и предельных значе-
ний 78
стоимостных регрессионных зави-
симостей 78
эквивалентных соотношений 78
- Роберта и фон Хиппеля 662
Методы определения показателей качества 77
инструментальный 77
расчетный 77
социологический 77
экспертный 77
- расчета вибропневматического камнеот-
борника 200
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
731
- управления производством современные
52
Механизм вальцовый для дробления орехов и
растирания мака 301
- взбивально-перемешивающий 451
- для перемешивания салатов и винегре-
тов 451
- овощерезательно-протирочный 306
- сменный многоцелевой 306
Мешалки механичекие 425
- быстроходные 425
- тихоходные 429
- статические 431
Модели 90
- авторегрессии-скользящего среднего 90
- динамической регрессии 92
- реологические 67
- смешения диффузионная 434
- статистическая 97
Модуль упругости зерновых структур 290
Момент инерции вальцового станка приве-
денный 58
Монжус 214
Морозильные аппараты воздушные 611.
Расчет 612
Мощность 416
- небходимая для прокатки 523
- привода смесителя 437
шнекового вертикального 437
шнекового горизонтального 438
--адаптивного 439
спирально-ленточного 441
лопастного 443
- шнекового нагнетателя 479
Мясорубки 316
Мясорыхлители - 320
Н
Нагнетатели двухшнековые 483
- валковые 484
- шестеренные 486
- пластинчатые 489
Нагреватель пароконтактный 543
Надежность 147
- оборудования 81
Напряженность электрического поля 655
оптимальная 702
Насосы для жидких и вязких продуктов 206.
Расчетные зависимости 210
- винтовые 209
- диафрагменные 207
- пластинчатые 209
- плунжерные 206
- поршневые 207
- шестеренные 208
- центробежные 209
Неопределенность подтвержденная (ПН) 54
Нутч 346
О
Обмен диффузионный 613
Оборудование. Интеграция 50. Специализация
49
- для выпрессовывания 478
- для стерилизации и пастеризации вин
679. Специфика процесса 679. Методика
расчета 680
- для формообразования 490
- для хранения сырья и полуфабрикатов
269
- непрерывного и периодического дейст-
вия 614
- технологическое. Качество 73. Класси-
фикация 15. Предъявляемые требования
16
- упаковочное 720
Объем испытаний на надежность 82
Овощерезки дисковые 309
- с дисковым ножом и роторной подачей
продукта 313
- комбинированные 314
Однородность смеси 434
Олово пищевое 131
Опора горловая 392
Орган рабочий 412
Органы рабочие оборудования 527
Осветление 338
- ультразвуковое 709
Отстаивание свободное 340
Отстойники периодического действия 338
- многоярусные 339
- непрерывного действия 340
- полупериодического действия 338
Оценка качества технологического оборудо-
вания комплексная 74
- показателей надежности 82
непараметрическими методами 84
параметрическими методами 85
- эффективности пневмосепарирования
аналитическая 181
— работы дробилок ударного действия
294 - 296
Очаг деформации 520
Очистка картофеля механическая 169
— пароводотермическая 172
— термическая 171
- ультразвуковая 710
П
Пакет сепарирующих вставок 392
Пакетирование тарно-штучных грузов 228
Параметры кинематические 330
732
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
- конструкционные 330
- круговых колебаний рассева 328
Пастеризатор трубчатый. Сборка 147
Пастеризаторы 538
Пастеризация 537
Перегородка фильтрующая 411
Перегородки пористые 448
Перегрузка пусковая 57
- технологическая 57
Перемешивание 416
Периоды процесса выпечки 565
Печи с канальным обогревом 567
- с рециркуляцией продуктов сгорания
569
- с электрообогревом 573
Питатели 266
- вибрационные 268
- встряхивающие 269
- ленточные 266
- пластинчатые 267
- секторные 267
- тарельчатые 268
- цепные 267
- шнековые 268
Планирование испытаний на надежность 82
Пластикатор 419
Пластикация 416
Пленка поливинилхлоридная 132
- полиэтиленовая 131
- целлюлозная 132
Площадь ячеистой поверхности триера 197
Пневмосепарирование 177
Погрузчики вилочные 220
- дизельные 221
- электро 221
Под печи 518
Показатели безопасности и производственной
санитарии 76
- качества продукции 17/ Абсолютный 17.
Базовый 18. Весомость 74. Комплекс-
ный 17. Относительный 17, 74
- надежности (долговечности) 76
- патентно-правовые 76
- стандартизации и унификации 76
- технологичности 76
- эргономические 76
- эстетические -76
- технико-эксплуатационные 75
- технологические 416
- технологичности 119
- хлеба качественные 705
Показатель готовности полуфабрикатов хле-
бопекарного производства 704
- кинематического режима триера 195
Покрытия гальванические 149
-химические 150
-эмалирование 151
-полимерные 152
- металлизация распылением 153
Ползучесть пищевых сред 70
Поливинилхлорид суспензионный 132
Полигоны распределения скоростей вита-
ния 181
Полипропилен 131
Полистирол 132
ударопрочный 132
Политика в ограсли гехническая 11
Полиэтилен высокого давления 131
Пресс вальцовый. Расчет 408. Давление сжа-
тия 408. Производительность 409
Прессование брикетов, таблеток 466
Прессы отжимные. Классификация 398
периодического действия 398
- непрерывного действия 405
Привод кинематический жесткий 184
Прогнозирование виброакустических ха-
рактеристик 90
Продукт сепарируемый 330
Производительность дисковых овощерезок
310
- комбинированных овощерезок 315
- картофелечисток 174
- машины тестомесильной 455
- машины взбивальной 457
- машины котлетоформовочной 515
- мясорубок 319
- мясорыхлителей 320
- протирочных машин и механизмов 307
- пуансонных овощерезок 313
- просеивателей с вращающимся ситом
335
- роторных овощерезок 312
с дисковым ножом и роторной пода-
чей продукта 314
- тестораскаточных машин 517
- фаршемешалок 452
- хлеборезок 322
- объемная 416
- массовая 416
- машин и технологических линий 46
расчетная проектируемого оборудо-
вания 49
техническая 46
теоретическая 46
эксплуатационная 48
- моечных машин 156
- печного агрегата 573
- триерной поверхности удельная 197
- шнекового нагнетателя 479
Проницаемость комплексная диэлектрическая
654
Просеиватели предприятий массового пита-
ния с вращающимися ситами 332
- с плоскими вибрирующими ситами 332
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
733
- с цилиндрическими неподвижными си-
тами 332
Процессы мембранные микрофильтрование
352. Ультрафильтрация 352. Обратный осмос
352. Динамическая мембрана 354
- технологические. Качество 20. Планиро-
вание качества 20. Технологичность 21.
Стабильность 21. Точность 21. Коэффи-
циент точности 22. Смещение 21. Ус-
тойчивость 23
Пульт управления СВЧ-установкой 671
Р
Работа удельная 416
Радиус нейтральной поверхности гн 394
Развитие инновационной деятельности 13
Разделение диэлектрическое 712
- пироэлектрическое 712
- трибоэлектростатическое 712
- трибоадгезионное 712
- флюидизационно-электростатическое
712
- сыпучих материалов 325
Разделяемость Е 377
Размер частиц сыпучих продуктов средний 296
Разработка, реализация и ведение системы
машин для пищевой и перерабатывающей
промышленности 13
Рассева мельничные 325
Расход рабочей жидкости в гидравлическом
прессе. Расчет 402
- электроэнергии удельный на измельче-
ние продуктов 296
Расчет амплитудно-частотных характеристик
108, НО
- аэрозольной установки 216
-динамических параметров 106, 107
- ламинатора кинематический 518
- мощности излучения шума внутренних
источников 100, 103
- натяжения цепей вертикального конвей-
ера 259
- передаточной функции 98
- оборудования для охлаждения рыбы 608
фруктов и овощей 609
- основных характеристик аэрожелобов
218
пневмоустановок 212
- производительности молотковых дроби-
лок 294 - 295
- угла обхвата декой рабочей камеры дро-
билки 294
- шумовой характеристики 97, 101
Расчеты реологические технологического
оборудования 62
Режим скоростной в очаге деформации 521
- сушки 588
Режимы прессования 410
Резервуары. Расчет основных параметров 277
- вертикальные 269
- для виноматериалов 273
- горизонтальные 269
- зарубежных фирм 272
- для спирта 274
- для сыпучего сырья 273
Резонатор объемный 667
Рекомендации по проектированию и расчету
конвейерных установок 264
Релаксация напряжений 70
Ресурсосбережение 582
Реформирование производственного потен-
циала отрасли машиностроения для пищевой и
перерабатывающей промышленности 13
Рециркуляция продуктов сгорания 578
Решетки измельчителей. Технология изго-
товления 141
Риск 23
Ротор 374
С
Сбивание 416
Свойства продукта диэлектрические 655
- разделяемых компонентов аэродинами-
ческие 181
- реологические 24
- сыпучих продуктов 63. Гранулометри-
ческий состав 63. Гигроскопичность 63.
Насыпная плотность 63. Удельный объ-
ем 63. Порозность 63. Угол естествен-
ного откоса 63. Сыпучесть 63. Адгезия
63. Когезия 63. Агрегация 63. Слежи-
ваемость 63
- ударно-фрикционные 330
СВЧ-генератор модульного типа 671
Связи упругие 185
Сгущение 338
Сепаратор 377. Сборка 145
Сепараторы 329, 330
- воздушные 177
Сепарирование вибропневматическое 198
Сигма-фактор 378
Сила инерции сепарирующего органа 186
- прокатки 522
Система диагностики автоматизированная
информационная (АИС) 52
- машин 29. В условиях рыночных отно-
шений 31. Методологические вопросы
формирования 30. Характеристика и
структура 29
- охлаждения магнетрона 671
-технологическая 23. Безопасность-23
Скорость витания разделяемых компонентов
181
734
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
- критическая удара зерновых культур
292
Скрубберы 366. Методика расчета 371. При-
менение 366
- насадочный 367
- пенный 369
- полный 366
- турбулентный 370
- ударно-инерционный 369
- центробежный
Смеси псевдоожиженные 445
Смесители вращающиеся 435
— периодического действия 435
— непрерывного действия 442
— транспортирующие 436
-жидких продуктов 162, 164
- пластичных продуктов 165
- сыпучих продуктов 167
Смеситель адаптивный 439
— аэрогравитационный 447
— гравитационный 448
— дисковый 445
— пневматический 446
— спирально-ленточный 440
— шнековый вертикальный 438
— шнековый горизонтальный 436
— центробежный 444
- статический 412
— валковый 415, 420
— винтовой 413
— двухвальный 413
— одновальный 413
— с подкатной дежой 412
— с Z-образными лопастями 413
— шнековый 413
Смеситель-пластикатор 423
Смешение 416
- идеальное 434
Содержание полноценного зерна в относах
177
Создание и освоение серийного производства
новых видов технических средств для пищевой
и перерабатывающей промышленности 12
Специализация оборудования 50
Сплавы алюминиевые деформируемые 130
— литейные 130
Среда дисперсионная 374
Среды вязкотекучие. Деформация и течение
64. Свойства 64
Сталь углеродистая обыкновенного качества
(марки, характеристики, свойства, область при-
менения) 126
- углеродистая качественная конструкци-
онная 127
- низколегированная то лето л истовая и
широкополосная универсальная 127
- легированная конструкционная 128
- подшипниковая ШХ15 128
- инструментальная углеродистая 128
— легированная 9ХС 128
- высоколегированная и сплавы коррози-
онностойкие жаростойкие и жаропроч-
ные 129
Станки вальцовые мукомольные 296. Расчет
производительности 297 Расчет изменения
межвальцового зазора и распорных сил 297
Статус измеренного значения (ИЗ-статус) 54
Стекло органическое 132
Стерилизаторы 542
Стерилизация 537
Структура многоуровневая иерархическая 74
Сушка конвективная 581
- сублимационная 642. Расчет процесса
644. Схемы установок 642. Температур-
ные режимы 645
- ультразвуковая 709
Схема динамическая (эквивалентная) 98, 105
- структурная работы ЦРТ 376
- формирования упаковки 722
Схемы выделения примесей в воздушных се-
параторах ЗЦВ, КЦВ 182, 183
- упаковывания технологические 724
Т
Тангенс угла диэлектрических потерь 655
Теория разделения Бремера 377
- удара 287
Теплообмен в пекарной камере 576
- в каналах 577
- поверхностный и объемный 528
Термокамера 553
Техника роторная центрифугальная (ЦРТ) 390
Технологичность конструкций изделий 118
Титан и титановые сплавы деформируемые
130
Транспорт аэрогравитационный .217
- ионов через клеточные мембраны 702
Транспортное оборудование для сырья и по-
луфабрикатов 205
— непрерывного действия 205
— периодического действия 206
Требования санитарно-технические 123
Триеры 193
- дисковые 193
- цилиндрические 193
Трубки пароводяные нагревательные 571
Трубопровод пневматический 214
У
Упаковка 721
Упаковка готовой продукции 72. Выбор спо-
соба 45
Управление потоком информации о надежно-
сти 81
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
735
Уравнение Бингама 214
- Букингама - Рейнера 214
- реологические 70
Установка вакуум-охладительная 638
- для биологической стабилизации шам-
панского 682
- выпарная однокорпусная 532
— многокорпусная 532
- стерилизационно-охладительная 543
Установки аэрозольтранспортные 215. Мето-
дика расчета 216
- гидроциклонные 363. Схемы соединений
364
Устройства топочные 570
Устройство диагностики технического состоя-
ния вальцового станка 55, 60
- центрифугальное 377
- шламовое 390
Ф
Фаза 373
- дисперсная 374
- твердая. Размеры 616. Структура 617.
Форма 616
Фазы смешения 433
Фактор потерь 654
- разделения Fr 373
- разделяющий механический 377
Факторы, влияющие на эффективность пнев-
мосепарирования 181
Фильтрат 374
Фильтрование 342
- очистное 342
- продуктовое 342
Фильтр-пресс рамный 346
Фильтры дисковые 349
- ленточные 350
- рукавные 351
- мембранные 352, 354
Формализация процесса измерений 79
Формирование качества продукта 79
Формование тестовых масс раскаткой, про-
каткой 503
округлением и закаткой 505
отливкой 507
Формула Бремера 394
Фракция 374
Фторопласт 4, 132
Фугат 374
Функция передаточная 89
X
Характеристика амплитудо-частотная 192
- насыпных грузов 239
- рабочая шнекового пресса 482
- техническая машин для измельчения ва-
реных продуктов 304
- шумовая 89
Характеристики пищевых продуктов оптиче-
ские и терморадиационные 685
- структурно-механические 416. Плот-
ность 416. Предельное напряжение сдви-
га 420. Эффективная вязкость 422
- технические молотковых дробилок 293
-погрузчиков 221. Вертикальных кон-
вейеров 256. Вертикальных люлечных
элеваторов 253. Конвейеров 232. Паке-
тоформующих машин 229. Подвесных
грузонесущих конвейеров 251. Тягачей
монорельсовых подвесных дорог 227.
Штабелеров 216. Электротележек 225.
Хлеборезки 321
ц
Центрифуга 377
Цикл воздуха замкнутый (ЗЦВ) 177
— комбинированный (КЦВ) 177
— разомкнутый (РЦВ) 177
Циклоны. Типы 354. Методика расчета, при-
менение 354
Цилиндр пресса. Расчет толщины стенки 403
Циркулятор 674
Ч
Частица предельного диаметра (предельная
частица) 393
Частота вращения ячеистого цилиндра пре-
дельная 194
- колебаний 653
Чугун серый 129
Э
Экстрагент 615
Экстрагирование 615
- ультразвуковое 708
Экстрактор. Задачи проектирования 616. Рас-
чет 624. Требования 616
- карусельный 616
- колонный 616
- конвейерный 616
- непрерывного действия 616
- наклонный шнековый 616
- периодического действия 616
Электронагреватели трубчатые (ТЭН) 573
Электротележки 224
Эмульгирование ультразвуковое 708
Энергия удельная разрушения зерновых куль-
тур 290
Энергозатраты 583
Эффект неконтролируемого повышения тем-
пературы 656
Эффективность очистки зерна 177
- процесса сортирования 328
СПРАВОЧНОЕ ИЗДАНИЕ
Мачихин Сергей Александрович, Акопян Валентин Бабкенович,
Антипов Сергей Тихонович и др.
МАШИНОСТРОЕНИЕ. ЭНЦИКЛОПЕДИЯ
Том IV-17
МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ПИЩЕВОЙ
И ПЕРЕРАБАТЫВАЕМОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Лицензия ИД № 05672 от 22.08.01 г.
Редактор З.М. Рябкова
Художественный редактор Т.Н. Галицына
Инженеры по компьютерному макетированию: Т.В. Курохтина, О.В Мочалина;
Е.А. Плотникова; С.Н. Целуйко
Сдано в набор 10.02.03 г. Подписано в печать 08.07.03 г.
Формат 70x100 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура Times NR.
Печать офсетная. Усл. печ. л. 59,8
Уч.-изд. л. 68,7 Тираж 1000 экз. Заказ 8434
ФГУП “Издательство “Машиностроение”
107076, Москва, Стромынский пер., 4
Оригинал-макет изготовлен в Издательско-полиграфическом центре Тамбовского
государственного технического университета
392032, Тамбов, ул. Мичуринская, 112
Отпечатано в ГУП ППП «Типография «Наука» РАН
121099, г. Москва, Шубинский пер., 6