Глава 14 прессование в замкнутом объеме

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ФОРМОВАНИЯ

ПИЩЕВЫХ СРЕД

Формование – процесс придания перерабатываемому продукту определенной формы и размеров.

Процесс формования пищевых сред – один из самых сложных процессов пищевой технологии. Именно в этом процессе во всем многообразии проявляется весь диапазон физико-механических свойств формуемого материала. Поэтому конструкторские решения формующих машин полностью определяются технологическими свойствами соответствующей среды.

Если хочешь, чтобы у тебя было мало времени, ничего не делай. Чехов Антон Павлович (1860–1904), русский писатель

14.1. НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМОВАНИЯ ПИЩЕВЫХ СРЕД

Разнообразие свойств пищевых продуктов и предъявляемых к их внешнему виду требований обусловило многообразие способов формования (рис.14.1).

Отливка – способ дозирования и заполнения форм массой в текучем состоянии и структурирования массы в формах. Отливка основана на текучести масс в горячем состоянии. Этим способом получают плиточный шоколад, помадные, желейные, молочные, ликерные сорта конфет, мармелад, шоколадные изделия с начинкой.

Рис. 14.1. Способы формования пищевых сред

Штампование –способ сдавливания в замкнутом объем пластичной массы, способной после штампования сохранять полученную форму. Штампования выполняют при помощи штампов или барабанов, на твердой поверхности которых выгравированы углубления и рисунки, соответствующие объему, форме и внешнему оформлению изделия. Штамповкой формуют мучные кондитерские и макаронные изделия, карамельные, ирисные массы, шоколадные изделия, пельмени.

Формование выпрессовыванием основано на непрерывном или периодическом выдавливании профилированных жгутов, труб или полос из размягченного материала бесконечной или ограниченной длины через формующую матрицу с определенными размерами и формой фильер. Выпрессовыванием применятся в производстве макаронных и мучных кондитерских изделий, конфет.

Специальным способом формования выпрессовыванием является формование в оболочке.

Отсадкой принято называть способ формования штучных изделий выдавливанием вязкопластичной массы через профилирующее насадки на приемную поверхность при циклическом взаимодействии рабочих органов. Способом отсадки осуществляют нанесение рисунков из крема при производстве тортов, формуют мучные кондитерские изделия, десертные сорта конфет, зефир.

Прокатка – способ механической обработки пищевого материала обжатием между вращающимися валками с целью получения полуфабрикатов в виде отдельных пластов или жгутов. Прокатку (раскатку) применяют при производстве хлебобулочных и мучных кондитерских изделий, карамели, конфет, грильяжа и жевательной резинки.

Обкатка – способ формования заготовок шарообразной, конусообразной или цилиндрической формы при взаимодействии упруговязкой массы с твердойповерхностью рабочих органов в процессе вращения. Обкатку применяют при получении хлебобулочных изделий, карамели и конфет.

Нарезание полуфабрикатов и заготовок используется в производстве хлебобулочных и мучных кондитерских изделий, конфет, карамели и мясных полуфабрикатов.

Прессование в замкнутом объеме путем брикетирования и таблетирования является способом получения изделий или полуфабрикатов в виде преимущественно небольших, определенной формы и размеров брикетов (таблеток) из сыпучих или порошкообразных материалов. Этот способ нашел применение в производстве сахара-рафинада, пищевых концентратов, кондитерских порошков, чая, кофе, специй, пряностей и т. п.

Специальным способом прессования в замкнутом объеме является формование сыра и творожных изделий.

Для научно обоснованного проектирования и эффективной эксплуатации формующего оборудования необходимо знание закономерностей процесса формования с учетом структурно-механических свойств пищевых сред.

При установившемся режиме теоретическая производительность отливочной машины (в кг/ч) определяется из выражения:

,

где Т – период заполнения одного или нескольких рядов форм, с; i – количество ячеек, одновременно заполняемых массой; n – число изделий в 1 кг.

Величина периода заполнения Т зависит от объемного расхода нагнетателя дозирующего устройства отливочной машины.

В процессе формования пищевых масс отливкой деформация и течение их в рабочем канале отливочного механизма происходит под действием давления, создаваемого нагнетателем. В настоящее время наиболее распространенными являются отливочные механизмы с поршневыми нагнетателями и золотниковым управлением. Величину объемного расхода Q (м³/с) такого нагнетателя можно определить из уравнения;

,

где m _эф – эффективная вязкость массы; Па×с; R и L – радиус и длина отливочного канала соответственно, м; р₀ – давление при движении поршня, Па; r – плотность массы, кг/м³; g – ускорение свободного падения, м/с²; m – реологическая константа, зависящая от свойств массы.

При проектировании отливочной машины это уравнение позволяет по заданному расходу Q для продукта с конкретными реологическими свойствами определять необходимое давление р₀ для движения поршня отливочного механизма и рассчитывать мощность привода машины.

Процесс формования штампованием заключается в получении из полуфабриката отдельных заготовок заданной конфигурации при помощи штампующих устройств различной конструкции. Для всех штампующих устройств физическая картина штампования имеет общий характер – сдавливания полуфабриката и вырезание из общей массы заготовки заданной формы и размеров. При этом на заготовку наносится определенный рисунок.

При штамповании слоя продукта в результате сближения двух круглых пластин величина необходимого усилия F (Н) определяется из выражения;

где R – радиус пластин, м; h – половина толщины сжимаемого слоя массы, м; u – скорость сближения пластин, м/с; s₀ – предельное напряжение сдвига, Н/м²; m₁ и m₂ – динамические вязкости, Па×с; t – текущее время, с; λ – период релаксации, с.

Процесс сдавливания слоя продукта при штамповании сопровождается вырезанием из него ножом штампа заготовки определенной формы и размеров. Общее усилие для вырезания заготовок заданной формы можно определить из выражения:

,

где П – периметр острой кромки, м; u – скорость резания, м/с; r – плотность продукта, кг/м³; H – глубина внедрения, м; h _эф – эффективная вязкость продукта, Па×с.

Определение усилий штампования и вырезания заготовки позволяет выполнить прочностной и энергетический расчеты штампующей машины.

При выпрессовывании пищевых сред наряду со шнековыми нагнетателями (рассмотрены в разделе 15.1) достаточно широко применяются шестеренные нагнетатели.

Основными рабочими органами шестеренного нагнетателя является прямозубые или спиральные зацепляющиеся между собой шестерни, которые вращаются в неподвижном корпусе. Принцип действия шестеренного нагнетателя заключается в том, что на входе продукт поступает в полости, образованные расходящимися смежными зубьями шестерен. При вращении шестерен продукт перемещается из зоны входа в зону выхода, где вытесняется из впадин входящими в зацепление выступами зубьев другой шестерни. При переходе из зоны входа в зону выхода продукт находится в защемленном объеме между смежными зубьями и корпусом.

Теоретическая величина, объемного расхода зависит от геометрических размеров объема впадин и выступов зубьев шестерен. Действительная подача меньше теоретической, т. к. в торцевых и радиальных зазорах возникают утечки продукта. В идеальном случае теоретическая объемная подача не зависит от реологических свойств продуктов, так как определяется только объемом впадин и выступов. В реальных условиях возникновения утечек в зазорах, безусловно, зависти от свойства выпрессовываемого продукта.

С достаточной степенью точности объемный расход нагнетателя с парой шестеренных роторов и эвольвентным профилем зубьев Q_т (л/мин) можно определить по формуле

где b – ширина шестерни, мм; n – частота вращения, мин^-1; m ₃ – модуль зубьев; z – число зубьев одной шестерни; K_n – коэффициент, зависящий от степени перекрытия e, характеризующий число зубьев, одновременно находящихся в зацеплении (К_n = 4 – 6e + 3e²); a – угол зацепления.

Однако действительный объемный расход Q меньше Q_т на величину утечек в реальных и торцевых зазорах.

Обозначим через K_оn отношение Q / Q_т. Этот коэффициент зависит от величины утечек в зазорах. Величина утечек, в свою очередь, зависит от частоты вращения шестерен n.

Эту зависимость можно представить в виде

.

Представленные формулы позволяют не только определить производительность выпрессовывающей формующей машины, но и выбрать ее оптимальные конструктивные параметры.

Форма изделий, образующихся в процессе отсадки, определяется профилем отверстий матрицы, циклом совместной работы нагнетательных органов и перемещающейся относительно фильер приемной поверхности. Получающаяся при этом форма во многом зависит от свойств массы.

Необходимые условия формования конфеты отсадкой записываются следующим неравенством

,

где – равнодействующая адгезионных сил, приложенных к основанию корпуса конфеты, Н, равная произведению адгезионного давления массы на площадь основания корпуса F ₀; G – сила тяжести, Н; – равнодействующая адгезионных сил, приложенных к поверхности фильеры, Н, равная произведению адгезионного давления массы на площадь контакта; Р_пч – сила обусловленная прочностью конфетного жгута в сечении разрыва F, Н; Р_ин – инерционная сила, действующая на корпус конфеты, Н.

Равнодействующая адгезионных сил и , очевидно, должна иметь разное значение в том случае, если фильеры и поддон выполнены из различных материалов.

Из неравенства следует, что при формовании конфет по принципу отсадки на приемную поверхность необходимо стремиться уменьшить силу прилипания к наружной поверхности фильер и увеличить силу прилипания к приемной поверхности. Таким образом, материал для изготовления фильеры и поддона следует выбирать с противоположными свойствами. При проектировании матрицы для отсадки конфетных масс, обладающих высоким пределом прочности, следует стремиться к увеличению отношения F ₀ / F ₁.

Процесс отсадки определяется соотношением между диметром стержня d и расстоянием Н от насадки матрицы до приемной поверхности. При соотношениях Н / d, больших определенной критической величины, происходят потеря продольной устойчивости стержня, его искривления в виде волны.

Критическую нагрузку, вызывающую потерю устойчивости стержня круглого поперечного сечения, продолжено определять по уравнению

,

где s _к – критическое нормальное напряжение, Па; s₀ – предел текучести массы, Па; С = s₀/λ₀ – постоянная для определенного состояния массы (температуры, плотности, влажности) и рецептурного состава; здесь λ = μ Н / i – гибкость стержня; μ – коэффициент длины, зависящий от способа закрепления стержня; i = d /4 – радиус инерции стержня круглого сечения, м.

Одним из основных требований при формовании конфетных масс осадкой является формоудерживающая способность изделия и четкость рельефа.

Оценивать формоудерживающую способность изделия можно по критической высоте формосохраняемости, определяемой по формуле

,

где τ₀ – предельное напряжение сдвига конфетной массы после формования; r – плотность массы; g – ускорение свободного падения.

Прокатка – способ механической обработки пищевого материала обжатием между вращающимися валками с целью получения полуфабриката в виде отдельных пластов или жгутов. Раскатка применяется для придания тесту, жевательной резинке или конфетной массе формы тонкой платины определенной толщины. Как технологическая операция раскатка может быть как самостоятельной, так и частью общей операции формования. Итак, прокатка (раскатка) – процесс воздействия вращающихся рабочих органов на пищевой материал до получения им формы пластины.

При прокатке материал сжимается до величины зазора между валками 2 Н ₀, а затем за счет упругого последствия несколько восстанавливается до величины 2 Н.

Давление в зазоре между валками р_з (Па)

где R – радиус валков, м; 2 Н ₀ – зазор между валками, м; n – индекс течения; u – окружная скорость валков, м/с; h – эффективная вязкость, Па×с; τ – напряжение сдвига, Па; – значение независимой переменной в той точке х = Х, где теряется контакт теста с валками;

; .

Расчетное максимальное давление возникает при e = –1, т. е. в точке, расположенной на расстоянии Х от оси валков, и равно р _макс = 2 р₃.

Распорное усилие F (Н) при ширине раскатываемого пласта В (м) и в пределах зоны контакта материала с валком

.

Описание процесса формования цилиндрическими валками позволяет проводить расчеты современного оборудования для формования тестовых заготовок раскаткой. Отклонение расчетных величин от экспериментальных не превышает 10 %. Изучение раскатки теста показало, что при проектировании формующих машин следует предусматривать установку 3…4 пар валков. Наилучшую раскатку хлебного теста наблюдали, когда начальная толщина тестового пласта была в 3 раза больше зазора между ними.

Процесс формования шарообразной тестовой заготовки при взаимодействии упруговязкого теста с твердой поверхностью рабочего органа базируется на молекулярно-механической теории трения, которая предусматривает наличие деформационной и адгезионной составляющих сил на контактной площадке.

Сила взаимодействия плоской формующей поверхности округлителя с шарообразной тестовой заготовкой равна:

,

где h – глубина деформационной зоны контакта, м; d – средний диаметр единичного фрикционного контакта, м; τ – напряжение сдвига, Па; σ _сж – напряжение сжатия, Па; δ – глубина смятия заготовки в месте контакта, м; G – масса заготовки, кг; r – плотность заготовки, кг/м³; ξ – коэффициент, учитывающий уменьшение силы трения при увеличения скорости; ν_окр – фактическая скорость тестовой заготовки по формующей поверхности, м/с; a – угол между направлениями приложенной Q и результирующей Р силами, град.

Анализ уравнения показал, что изменение массы заготовки незначительно влияет на величину силы, существенное влияние оказывают коэффициент трения, глубина смятия заготовки и отношение τ/σ_сж.

Условная физическая картина процесса закатки состоит из следующих этапов: втягивания куска теста в зазор между движущимися навстречу друг другу с разными скоростями лентами конвейеров; вращательного и поступательного движения заготовки в уменьшающемся зазоре между лентами конвейеров, что приводит к постепенному ее деформированию в радиальном и осевом направлениях. В результате сдвига в тестовой заготовке накапливается упругая энергия, которая при ее выходе из зазора приводит к разбуханию. Процесс постепенного сдавливания тестовой заготовки по мере ее продвижения в зазоре можно представить как сжатие заготовки между двумя жесткими поверхностями, движущимися навстречу друг другу со скоростью (где 2 h ₂ – зазор между лентами на входе, м; 2 h ₁ – зазор между лентами на выходе, м; t – время, с).

Рассмотрен процесс сдавливания тестовой заготовки между двумя жесткими плоскостями со скоростью ν₀ при допущениях, что среда несжимаема, режим течения, установившийся и изотермический, тесто проявляет вязко-упруго-пластические свойства. Компонента нормального напряжения, с которой осуществляется сжатие заготовки в процессе закатки, определяется следующей зависимостью:

,

где – скорость сдавливания, м/с; – текущий зазор между лентами конвейеров, м; – длина тестовой заготовки, м; , – динамические вязкости, Па·с; – период релаксации, с.

Так как в процессе закатки тестовая заготовка приводится во вращение и одновременно движется поступательно, то вращающий момент, создаваемый силами трения со стороны ленты конвейера и неподвижной доски, будет равен:

,

где b – ширина площадки контакта теста с лентой, м; r – радиус качения, м; t_n – касательное напряжение в месте контакта, Па.

Величина t _n определяется из условия сдвига тестовой заготовки, находящейся между двумя движущимися лентами конвейеров:

,

где – предельное напряжение сдвига, Па; v ₁ и v ₂ – скорости лент конвейеров первого и второго соответственно, м/с.

Научное обеспечение резания пищевых материалов рассмотрено в разделе 10.1.

Способы брикетирования и таблетирования осуществляются в условиях всестороннего сжатия в замкнутых прессформах. По характеру движения пуансонов различают прессование под давлением и прессование с выдержкой. Последнее обеспечивает благоприятные условия для удаления воздуха из прессуемого порошка и ведет к частичному рассасыванию внутренних напряжений, в результате чего предотвращается расслаивание таблеток.

В технике различают одностороннее и двустороннее прессование. В первом случае прессование ведется одним пуансоном, при этом наибольшее давление испытывает слой материала, непосредственно примыкающий к пуансону, наименьшее давление – слой, находящийся на дне прессформы. При двустороннем прессовании сжатие материала осуществляется двумя пуансонами, в этом случае наименьшее давление в материале возникает в слое, расположенном в середине высоты таблетки.

Физическую картину прессования порошкообразных материалов можно представить следующим образом. В начале процесса происходит более плотное расположение тонкодисперсных комочков продукта вследствие переориентации и сдвига частиц, связи между которыми пока не возникают. При этом из продукта удаляется большая часть воздуха. На такое начальное уплотнение затрачивается немного энергии. Дальнейшее уплотнение возможно лишь при деформации отдельных частиц продукта, в это время подводится значительная энергия, которая преобразуется, в основном, в тепло, а также энергию формоизменения частиц и в свободную энергию поверхности частиц. Взаимная связь между частицами создается в результате их текучести, выделении теплоты и свободных химических связей. Дальнейшими связями являются адгезионные и когезионные, возникающие одновременно и создающие связующие слои в материале. В конце процесса прессования при максимальном давлении происходит переход упругой деформации частиц материала в пластическую, вследствие чего структура брикета упрочняется и сохраняется заданная форма.

В процессе прессования для получения прочного и плотного брикета значительное снижение усилия прессования может произойти из-за внесения в продукт смазывающих веществ, влаги и повышения температуры. Это происходит в результате того, что частицы более подвижного связующего вещества, деформируясь при меньшем давлении, заполняют пространство между частицами твердого тела, и молекулярные силы возрастают.

Прессование порошкообразного материала в матрице сопровождается уменьшением его объема, вследствие чего увеличивается объемная масса и прочность таблетки (брикета). Отношение плотности брикета r к плотности порошка в насыпном состоянии r₀ характеризует степень его уплотнения b:

; и ,

где M – масса прессуемого материала, кг; S – площадь поперечного сечения матрицы, см²; h, h ₁ – соответственно начальная и текущая высота материала, см.

Усилие прессования расходуется на уплотнение продукта и преодоление трения материала о стенки матрицы. В практике прессования трение отрицательно сказывается на проведении процесса, т. к. приводит к неравномерному распределению давления по высоте и поперечному сечению таблетки и, следовательно, к неравномерной плотности по объему спрессованного материала.

При прессовании круглой таблетки распределение давления по высоте характеризуется уравнением:

.

Уравнение показывает, что давление по высоте брикета p_z изменяется по экспоненциальному закону. По мере удаления от пуансона давление прессования p_в уменьшается и зависит от коэффициента внешнего трения f, коэффициента бокового давления ξ, периметра L и площади поперечного сечения S матрицы.

Давление на дно матрицы при z = h и на половине высоты брикета z = h /2 будет

и .

Анализ этих уравнений позволил установить, что на падение давления большое влияние оказывает соотношение Lh / S. Неравномерность распределения давления по высоте таблетки будет тем ниже, чем меньше это соотношение. В связи с этим целесообразно прессовать низкие брикеты с минимальным отношением L / S при заданной массе таблетки.

Юность – единственная пора обдумывать и принимать важные решения. Браунинг Роберт (1812–1889), английский поэт