Физические основы измельчения

ЛЕКЦИЯ № 7

Измельчение – процесс механического воздействия на продукт рабочими органами, который приводит к преодолению сил взаимного сцепления и разрушению продукта под действием внешних нагрузок, а также к увеличению поверхности твердых материалов.

В пищевой промышленности измельчение применяют в следующих целях: для подготовки сырья к приготовлению пищи, придания продукту требуемой консистенции, порционирования продукта, утилизации отходов сырья и остатков пищи, для увеличения поверхности твердых материалов с целью повышения скорости биохимических и диффузионных процессов при переработке фруктов, овощей и т. д. Измельчение широко используют в мукомольном, мясном, свеклосахарном, спиртовом, пивоваренном, консервном и другом производстве.

Способы измельчения (рис. 1) подразделяют на следующие: раздавливание, раскалывание, разламывание, резание, распиливание, истирание, измельчение с помощью удара. В каждой измельчающей машине реализуются, как правило, все способы измельчения, но главную роль играет тот, для которого она создана.

При раздавливании (рис. 1, а) под действием статической нагрузки, создаваемой силой F на нажимную плиту, определяющими являются напряжения сжатия. Под их действием материал деформируется по всему объему. При этом внутреннее напряжение в нем постепенно повышается и по достижении внутреннего напряжения выше предела прочности сжатия материал разрушается. При этом образуются частицы различного размера и различной формы. В чистом виде раздавливание реализуется очень редко: только в щековых дробилках. В ряде других типов измельчителей оно сопровождается истиранием.

При раскалывании (рис. 1, б, в) в материале возникают в основном изгибающие напряжения. Процесс раскалыванияосуществляется за счет создания больших концентраций нагрузок в местах контакта материала с клинообразным рабочим элементом, на который воздействует сила F. Этот способ используется, например, в дискозубых дробилках, предназначенных для измельчения достаточно крупных вязких материалов.

Процесс разламывания (рис. 1, г) совершается за счет воздействия изгибающих сил F. Размеры и форма получаемых частиц примерно такие же, как и при раскалывании.

Процесс резания (рис. 1, д) осуществляется лезвиями (ножами), под действием которых создается усилие F, направленное под определенным углом к измельчаемому материалу. Кроме того, ножи совершают движение в плоскости, параллельной плоскости разделения материала. При резании в материале возникают напряжения сдвига. Резание используется в измельчителях для плодов фруктов и овощей, а также туш животных, причем сырье можно измельчить на части заранее выбранных размеров и форм.

Распиливание (рис. 1, ж) осуществляется за счет использования пил, зубья которых представляют собой ножи. Измельчение материала происходит при нажиме на пилу и ее перемещении в плоскости измельчения. Процесс распиливания позволяет получить куски требуемых размеров.

Процесс истирания применяется при тонком и коллоидном помолах. При истирании (рис. 1, з) разрушение происходит главным образом от напряжений сдвига. На материал действуют силы, возникающие при перемещении опорной и нажимной плит в противоположные стороны. На нажимную плиту оказывает внешнее воздействие сила F. Истирание в комбинации с раздавливанием - один из наиболее экономичных способов измельчения и используется в среднеходных (валковых и шаровых) мельницах, бегунах, валковых и конусных дробилках.

Процесс дробления за счет удара осуществляется под действием динамических нагрузок на продукт, в результате которых возникают динамические напряжения, приводящие к его разрушению. Различают свободный (рис. 1, и) и стесненный (рис. 1, к) удары. При стесненном ударе тело разрушается между двумя рабочими органами измельчителя, при свободном – в результате столкновения с рабочим органом или другим измельчаемым телом. Измельчение ударом имеет место в роторных и молотковых дробилках, молотковых и струйных мельницах, дисмембраторах, дезинтеграторах, а также частично в барабанных мельницах.

В измельчающих машинах сочетается несколько принципов разрушения пищевых продуктов.

В процессе измельчения надо соблюдать определенные условия:

– продукт измельчают до требуемой крупности;

– в продуктах измельчения должны отсутствовать металлические, минеральные и другие примеси, являющиеся случайными или образующиеся в результате износа рабочих органов машин;

– нагрев продуктов в процессе измельчения должен быть минимальным.

Процессы измельчения разделяются на дробление (крупное, среднее и мелкое), помол (грубый, средний, тонкий и сверхтонкий) и резание. Резание применяют, когда требуется не только уменьшить размер кусков, но и придать им определенную форму (овощи и фрукты, конфетная и тестовая масса, мясо и другие продукты).

В зависимости от размеров наиболее крупных кусков исходного и измельченного материала различают несколько классов дробления и помола (табл. 1).

Критерии оценки эффективности процесса измельчения. Основными критериями оценки эффективности процесса измельчения пищевых продуктов являются: степень измельчения, удельная энергоемкость процесса и удельная нагрузка на рабочий орган измельчающей машины.

Таблица 1