Процесс измельчение в вальцовом аппарате

С. Д. Хусид выявил, что эндосперм  пшеницы при влажности 13…14% -типично  хрупкое тело, однако при определенных условиях силового нагружения и окружающей среды может проявлять свойства пластичных материалов. Поэтому изменение скорости деформирования и других условий измельчения играет важную роль.

В мукомольном производстве наибольшее распространение получило измельчение зерна в вальцовых  станках. Рассмотрим условия силового нагружения частиц измельчаемого продукта в рабочей зоне вальцового станка (рис 5). Частица, попавшая в зону измельчения, в точке захвата подвергается воздействию двух сил, одна из которых – Р_Б  – со стороны быстровращающегося вальца (Б), а вторая – Р_м – со стороны медленновращающегося вальца (М). Силы  Р_Б и  Р_м направлены по касательной к окружностям вальцов, причем сила Р_Б стремится увлечь частицу в зону измельчения, а сила Р_м – вытолкнуть ее из указанной зоны из-за различия величины окружных скоростей вальцов Б и М. Поэтому Р_Б> Р_м. Указанные силы создают условия для разрушения частицы сдвигом (срезом). По мере дальнейшего продвижения частицы к лини, соединяющей центры вальцов не нее возрастает воздействие сжимающих усилий  Q_B и Q_M , и которые достигают своего максимального значения на линии центров. Эти силы равны по величине, но направлены в противоположные стороны. Воздействие сил определяет величину сжатия измельчаемых частиц в рабочей зоне, которая зависит от нагрузки на размалывающую линию, величины межвальцового зазора и структурно-механических свойств измельчаемого продукта, находящегосяв рабочей зоне, одновременно действуют сдвигающие и сжимающие усилия, которые определяют характер и эффективность процесса измельчения. При этом необходимо учитывать не только величину этих усилий, но и их соотношение. Соотношение сил Р_Б и  Р_м характеризуются соотношением окружных скоростей вальцов, а их величина зависит от усилия сжатия измельчаемого продукта.

Важным является также  скорость приложения усилий – скорость деформирования. С увеличением скорости приложения усилий к измельчаемому продукту в рабочей зоне вальцового станка создаются условия для хрупкого разрушения, как наиболее эффективного вида деформации. Поэтому необходимо подбирать такие условия измельчения зерновых продуктов, чтобы обеспечить хрупкое измельчение эндосперма, а для оболочек – пластичное, используя различия их структурно-механических свойств.

 

2.1  Факторы, влияющие на эффективность процесса измельчения

 

На эффективность измельчения  зерновых продуктов оказывают влияние  вид помола, технологические свойства зерна, кинематические и геометрические параметры измельчающих машин, нагрузочные условия.

 

2.1.1  Вид помола

Структура процесса зависит  от вида помола и определяет число  систем измельчения зерновых продуктов  при различных помолах. Для простых  помолов необходимо применять меншее число систем измельчения, чем для сложных помолов. Для различных видов помолов применяют определенные режимы систем процесса измельчения. Под режимом системы измельчения понимают выход извлекаемых продуктов, характерных для данной системы.

Режим системы, при котором  извлекают максимально возможное количество измельченных продуктов, называют низким, а минимальное количество – высоким. Для простых помолов характерен низкий режим при минимальном числе систем, а для сложных сортовых помолов – высокий режим при максимальном числе систем измельчения.

 

2.1.2  Технологические свойства зерна

Наибольшее значение имеют структурно-механические свойства: прочность, твердость, пластичность, размолоспособность. По структурно-механическим свойствам зерна различают твердо-зерные и мягкозерные сорта пшеницы. Для твердозерных сортов пшницы характерен высокий выход промежуточных продуктов в виде крупок и крупитчатая мука, а для мягкозерных сортов – низкий выход крупок и мягкая мука.

Поскольку непосредственное определение микроструктуры зерна связано с определенными трудностями, о прочностных и деформативных свойствах зерна приближенно судят по таким показателям, как стекловидность, влажность, размолоспособность и др.

Стекловидность, характеризующая консистенцию эндосперма, определяет поведение зерна в процессе его измельчения. При измельчении пшеницы с мучнистой и стекловидной консистенцией эндосперма наблюдается их различная сопротивляемость разрушению.

Взаимосвязь консистенции эндосперма зерна (стекловидности) с его структурно-механическими сойствами иллюстрируется данными, приведенными в таблице 1. Наиболее высокой прочностью обладает высокостекловидная пшеница. Для нее характерны большие, чем для низкостекловидной, энергетические затраты при измельчении.

1. Прочность зерна в зависимости от его стекловидности

    (по С. Хусиду)

Район произрастания	Стекловидность,%	Влажность, %	Расход электроэнергии на измельчение зерна, кДж/кг	Расход электроэнергии на вновь  образованную поверхность, Дж/см2	Прочность зерна, кН/м2
Гордеиформе 423, Саратовская  область	94	11,3	11,6	0,250	255
Гостаниум 237, Молдавская ССР	81	10,9	6,4	0,189	193
Украинка, Николаевская область	70	11,3	9,2	0,150	153
Мильтурум 553, Алтайский  край	60	11,0	6,7	0,150	153
Гостаниум 237, Николаевская область	46	11,4	9,9	0,140	143
Мильтурум 553, Омская область	36	11,3	9,2	0,110	112

 

Влажность зерна оказывает большое влияние на его структурно-механические свойства, а значит, на эффективность измельчения. Установлено, что с повышением влажности зерна возрастает его сопротивляемость разрушению, повышается удельный расход энергии на единицу вновь образованной поверхности и снижается микротвердость. Это явление объясняется увеличением пластичности зерна. Особенно заметно пластические деформации возрастают в оболочках, которые оказывают значительное сопротивление разрушению. Поэтому при измельчении увлажненного зерна требуется затратить больше энергии, чем при измельчении сухого зерна (табл. 2).

При повышении влажности  зерна от 14 до 18% изменяются его технологические свойства, снижается выход

2. Изменение прочности зерна при его различной влажности

    (по С. Хусиду)

Район произрастания	Стекловидность, %	Влажность, %	Расход электроэнергии на измельчение зерна, кДж/кг	Расход энергии на вновь образованную поверхность, Дж/см2	Прочность зерна, кН/м2
Одесская 3, Харьковская  область	91	12,0 15,4 16,7 19,2	8,2 9,2 9,4 10,1	0,205 0,217 0,245 0,276	209 221 250 282
Мильтурум 553, алтайский  край	60	11,0 14,2 16,3 18,6	6,7 9,2 9,2 9,8	0,150 0,171 0,186 0,209	153 173 190 213
Лютесценс 62, Курская  область	15	10,0 15,1 17,1 19,7	4,3 6,0 8,3 9,1	0,118 0,122 0,147 0,176	120 124 150 180

промежуточных продуктов  на первых трех крупообразующих системах (табл. 3).

При этом наибольшее снижение выхода наблюдается по крупной крупке, выход других фракций (средняя, мелкая крупки, дунст и мука) остается практически постоянным, уменшается зольность всех продуктов процесса крупообразования, повышается удельный расход энергии на измельчение зерна. Это объясняется возрастанием пластичности зерна и особенно оболочек, увеличением количества в нем микротрещин.

Снижается зольность  муки 70% -ного выхода, улучшается ее цвет. Уменьшается сахаро- и газообразующая способность. Это можно объяснить снижением степени измельчения крахмальных зерен, у которых при

увлажненииповышается  упругость и пластичность и поэтому  они оказывают большее сопротивление  при разрушении. Возрастает объемный выход хлеба и улучшается его  качество.

 

2.1.3  Кинематические и геометрические параметры измельчающих машин

К кинематическим параметрам относят: величину окружной скорости быстровращающегося вальца υБ ; величину окружной скорости медленновращающегося вальца υМ ; отночение  окружных скоростей вальцов

К = υБ/ υМ ; геометрические параметры: величину межвальцового зазора b; характер рабочей поверхности вальцов – нарезные (рифленые) или микрошероховатые; характеристику поверхности рифленых вальцов; число рифлей на единицу длины окружности вальца R; уклон рифлей У; профиль рифлей; взаимное расположение рифлей парноработающих вальцов; диаметр вальцов D; длину вальцов L.

3. Влияние влажности зерна на его технологические и некоторые биохимические свойства

Пробная выпечка хлеба	Проистость мякиша, %		Стекловидность 68 %, отволаживание 10 ч	72 74 74 76 76	Стекловидность 53%, отволаживание 8 ч	74 76 78 78
	Объемный выход, см3			485 495 490 495 500
						475 490 500 505
Мука 70 % - ного выхода	Газообразующая способность теста, мл СО2			1220 1100 1090 1080 1030		1240 1190 1140 1100
	Сахаробразующая способность  муки, мг мальтозы			209 207 206 202 200		212 208 203 200
	белизна ед. цветомера			34 32 31 27 25		28 26 26 24
	Зольность, %			0,58 0,56 0,56 0,54 0,51		0,56 0,54 0,54 0,52
	Выход, %			72,5 72,0 71,7 71,0 70,2		72,0 71,6 71,0 70,8
Удельный расход электроэнергии на размол, кДж/кг извлечения				64,8 69,8 71,4 75,3 81,2		57,2 59,6 65,7 68,8
Выход и зольность  промежуточных продуктов на I …IIIдр. с.,  %		Зольность суммарного извлечения		0,89 0,83 0,77 0,73 0,71		0,97 0,94 0,91 0,87
		Суммарное извлечение на I…III др. с.		77,6 72,2 72,6 69,6 68,2		71,0 70,8 68,2 66,0
		Зольность муки		0,60 0,56 0,54 0,52 0,48		0,58 0,57 0,56 0,54
		Выход муки		10,6 9,6 9,2 9,2 8,5		6,5 6,7 6,7 6,5
		% зольность крупной  крупки		1,25 1,19 1,15 1,15 1,14		1,37 1,32 1,30 1,27
		Выход крупной крупки		31,2 28,9 25,6 23,4 23,0		36,5 34,8 31,9 30,0
Влажность зерна на I др. с., %				77,6 72,2 72,6 69,6 68,2		71,0 70,8 68,2 66,0

 

2.1.3.1  Окружные скорости вальцов

Они влияют на скорость приложения усилий от вальцов к измельчаемому  продукту (скорость деформирования), а  также на скорость обработки (измельчения) продуктов, находящихся в рабочей  зоне вальцов. Для избирательного измельчения приходится изменять его условия. В этом случае большое значение имеет скорость деформирования.

Важен также выбор  скорости движения частиц продукта в  рабочей зоне вальцов, под которой  понимается скорость перемещения ее центра тяжести. Она определяется скоростью υ_Б и υ_М , а также величиной усилий, передаваемых на измельчаемый продукт со стороны вальцо. Силовое нагружение частиц продукта в различных точках зоны воздействия изменяется, поэтому скорость движения частиц в рабочей зоне вальцов также непостоянная. Скорость частиц продукта, примыкающих к поверхности медленновращающегося вальца. Частицы продукта приобретают скорость в рабочей зоне в зависимости от воздействия усилий обоих вальцов. Это положение согласуется с зависимостью для средней скорости частиц продукта:

                        

                         (4)

где α – угол захвата  частицы продукта.

 

Из формулы (4) можно установить что по мере движения частицы продукта от выходного зазора к выходному угол α для данной частицы уменьшается, а средняя скорость ее возрастает.

В таблице 4 представлены примерные результаты влияния окружной скорости быстровращающегося вальца на эффективность измельчения зерновых продуктов по различным этапам технологического процесса. Помолы проведены при окружной скорости быстровращающегося вальца

4. Влияние окружной скорости быстровращающегося вальца на эффективность измельчения по различным этапам технологического процесса

Окружная скорость быстровращающегося вальца, м/с	Крупообразование продуктов первого качества (I…III др. с.)			Размол продуктов первого  качества (1-я р. с,)
	Суммарное извлечение крупок на I…III др. с., %	Зольность крупок, %	Удельный расход электроэнергии, кДж/кг крупок	Извлечение муки, %	Зольность муки, %	Удельный расход электроэнергии, кДж/кг муки.
4 6 8 10	46,3 48,0 49,6 51,0	0,84 0,89 0,96 1,04	43,6 49,3 54,2 60,8	38,2 41,6 43,2 46,1	0,51 0,52 0,53 0,53	35,2 36,7 43,7 49,6
Окружная скорость быстровращающегося вальца, м/с	Размол продуктов второго  качества (5-я р. с.)			Размол  оболочечных  продуктов (8-я р.с)
	Извлечение муки, %	Зольность муки, %	Удельный расход электроэнергии, кДж/кг муки.	Извлечение муки, %	Зольность муки, %	Удельный расход электроэнергии, кДж/кг муки.
4 6 8 10	30,2 33,0 35,4 38,7	0,62 0,64 0,66 0,67	32,7 35,6 38,8 42,1	14,0 15,2 18,3 20,8	1,21 1,29 1,36 1,46	76,4 81,2 94,6 116,6