Лекція 7,8,9 Тема. МЕХАНІЧНІ ПРОЦЕСИ І АПАРАТИ. ПОДРІБНЮВАННЯ

Лекція 7,8,9

Тема. МЕХАНІЧНІ ПРОЦЕСИ І АПАРАТИ. ПОДРІБНЮВАННЯ.

Мета. Розглянути процеси подрібнювання та пресування.

План.

1. Суть і призначення процесу подрібнення.

2. Класифікація способів подрібнювання.

3. Теорія подрібнювання.

4. Машини для подрібнювання.

5. Різальні машини.

6. Сутність процесу пресування.

7. Віджимання рідини.

8. Формування пластичних матеріалів.

9. Ущільнювання сипких матеріалів.

1. Суть і призначення процесу подрібнювання

Подрібнюванням називають процес поділу твердого (або умовно твердого) тіла на частинки, який здійснюється шляхом механічного впливу.

Для того щоб зменшити розміри твердої сировини, необхідно здійснити роботу і подолати сили взаємного притягання молекул. У наслідок прикладання зовнішньої сили тіло руйнується, причому сумарна площа поверхонь, які при цьому утворюються, значно перевищує поверхню вихідного матеріалу. Це створює передумови для інтенсифікації теплових, дифузійних та біохімічних процесів, у яких бере участь тверда фаза.

Процеси подрібнювання різного роду сировини та матеріалів широко застосовуються в різних галузях харчової промисловості. Подрібнюють зерно, солод, сіль, цукор, сухарі, горіхи какао-боби, какао-крупку, олійне насіння, картоплю та інші овочі, фрукти, м'ясо, цукеркові та тістові маси тощо. В ресторанному господарстві цей процес застосовується при виготовленні різноманітних страв, наданні продукту необхідної консистенції, порціонуванні та нарізуванні продуктів тощо.

Значна частина харчових продуктів (м'ясо, хліб, овочі, риба тощо) при подрібнюванні легко піддається деформації і має велику вологість. Ці продукти віднесені до умовно твердих

Подрібнювання є одним з найбільш енергоємних процесів. Тому з техніко-економічної точки зору слід завжди керуватися принципом: "Не подрібнювати". Це означає, що, по-перше, не слід подрібнювати матеріал до менших, ніж необхідно, розмірів і, по-друге, треба відбирати до початку подрібнювання частинки матеріалу дрібніші за ті, що повинні бути одержані на даній стадії подрібнювання.

2. Класифікація способів подрібнювання

Основною характеристикою процесу подрібнювання є ступінь подрібнювання і - це відношення середніх розмірів шматків матеріалу до (D) і після (d) подрібнювання:

і = D/d (3.1)

У сучасній техніці ступінь подрібнювання визначають також як відношення сумарної поверхні частинок подрібненого продукту SП до сумарної поверхні частинок вихідного матеріалу SB:

і = SП / SB. (3.2)

Шматки матеріалу до і після подрібнювання звичайно не мають правильної форми. Тому на практиці розміри шматків визначають через розміри отворів сит, крізь які просівають сипкий матеріал до і після подрібнювання.

Залежно від розмірів шматків вихідної сировини та кінцевого продукту подрібнювання умовно поділяють на кілька класів (табл. 3.1).

Класифікація подрібнювання: Клас дроблення	D, мм	d, мм	і
Крупне	1500-150	250-25	3-6
Середнє	150-25	25-5	4-10
Дрібне	25-5	5-1	5-25
Тонке (помел)	5-1	1-0,05	До 100
Надтонке (колоїдне)	0,2-1	до 10-4	До 1000

На практиці часто дрібне, тонке й колоїдне подрібнювання здійснюється у водному середовищі, яке виключає пилоутворення і сприяє легшому вивантаженню подрібненого продукту з млина.

Залежно від напряму, точки прикладання та тривалості дії зовнішніх сил, які здійснюють подрібнювання тіл, розрізняють такі основні способи подрібнювання і помелу: роздавлювання, розколювання, розламування, розтирання, розбивання, розривання, різання та розпилювання. На рис. 3.1 схематично показано напрями зусиль на матеріал у випадку використання того чи іншого способу подрібнювання.

Наведемо стислу характеристику способів подрібнювання. Під час роздавлювання (рис. 3.1, а) під дією навантаження, створюваного силою Р на натискну плиту, матеріал деформується по всьому об'єму. Коли внутрішнє напруження в ньому перевищить межу міцності на стиск, він руйнується. При цьому утворюються частини різного розміру та форми.

Процес розколювання (рис. 3.1, б) здійснюється створенням великих концентрацій навантажень у місцях контакту матеріалу з клиноподібним робочим елементом, на який діє сила Р. Спосіб розколювання досконаліший порівняно з роздавлюванням, оскільки дає можливість регулювати розмір одержуваних частинок.

Процес розламування (рис. 3.1, в) здійснюється під впливом згинальних сил Р. Під час розтирання (рис. 3.1, г) тіло подрібнюється під впливом стискальних, розтягувальних і зрізувальних сил. Утворюється дрібний порошкоподібний продукт. Процес використовується в тонкому і колоїдному помелах.

Під час подрібнювання розбиванням (рис. 3.1, ґ) тіло розпадається на частинки під дією динамічного навантаження. У випадку сконцентрованого навантаження створюється ефект, схожий на той, який має місце під час розколювання, а в разі розподілу зусиль на весь об'єм тіла ефект руйнування схожий на ефект роздавлювання.

Під час розривання (рис. 3.1, д) тіло руйнується під дією розтягувальних сил у результаті виникнення напруження в матеріалі, яке перевищує межу міцності на розрив.

Процес різання (рис. 3.1, е) здійснюється ножами, під дією яких створюється зусилля Р, направлене під визначеним кутом до матеріалу, який подрібнюється. Матеріал подрібнюється на частинки на-перед заданих розмірів і форми. Процес повністю керований.

Розпилювання (рис. 3.1, є) здійснюється за допомогою пилок, зубці яких являють собою ножі. Вплив пилки здійснюється натискуванням її на подрібнюваний матеріал, а також переміщення пили у площині подрібнювання. Результат такий самий, як і після різання.

На практиці часто комбінують різні способи подрібнювання матеріалів. Так, наприклад, розтирання завжди супроводжується роздавлюванням чи розбиванням, розламування - розколюванням або роздавлюванням. Завдяки чому з меншою витратою енергії найефективніше здійснюється подрібнювання матеріалу.

Вибір способу подрібнювання залежить від фізичних властивостей і розмірів матеріалу. Основне значення має міцність матеріалу. Тверді та крихкі матеріали типу кристалів цукру або сухого зерна можна подрібнювати розбиванням або розтиранням. Пластичні матеріали, наприклад м'ясо, необхідно кутерувати.

Вчені-механіки, виходячи з теорії міцності твердих тіл, довели, що опір будь-якого матеріалу під час стискування завжди більший від опору розтягання. Досліди показують, що матеріали чинять максимальний опір роздавлюванню, менший - розколюванню, ще менший - розтиранню, тобто зсуву, а мінімальний - розриванню. Наприклад, вапняк, який використовується у виробництві цукру, має межу міцності на розтягання - 4,0 МПа, а на стискування - 90 МПа, тобто в 22 рази більшу. Відповідно і витрати енергії під час розтягання будуть набагато меншими. Однак технічна реалізація способу подрібнювання розриванням спричинює труднощі, у вирішенні яких можлива допомога і студентської молоді.

3. Теорія подрібнювання

Як уже було сказано, процес подрібнювання потребує значних витрат енергії, тому визначення величини використаної енергії на подрібнювання є основною проблемою в теорії дроблення. Єдиної теорії руйнування тіл під дією внутрішніх напружень або зовнішніх сил нині немає. Найбільше поширені поверхнева та об'ємна теорії подрібнювання.

Поверхнева теорія Ріттінгера виходить з того, що під час подрібнювання робота витрачається на подолання сил молекулярного притягання по поверхням руйнування матеріалу (рис. 3.2, а). Очевидно, що в процесі подрібнювання необхідно витратити тим більше роботи, чим більше сумарна площа наново утворених у процесі подрібнювання граней, або поверхонь.

Звідси випливає така математична залежність, яка відбиває пропорційність витраченої роботи величині утвореній поверхні матеріалу при подрібнюванні

А1 = k1ΔS,

де А1 — корисна робота подрібнювання (за поверхневою теорією); ΔS - площа утворених нових граней матеріалу; k1 - коефіцієнт пропорційності.

Об'ємна теорія, запропонована Кирпичовим і Кіком (рис. 3.2, б), виходить із того, що під час подрібнювання робота витрачається на деформацію матеріалу до досягнення межової руйнівної деформації. Звідси виходить, що робота, необхідна для подрібнювання, пропорційна зменшенню об'єму шматка матеріалу перед його руйнуванням. Математична залежність, яка відображає це твердження, має такий вигляд:

A2 = k2ΔV,

де А2 - корисна робота подрібнювання (по об'ємній теорії); ΔV- різниця об'ємів вихідного і подрібненого матеріалу; k2 - коефіцієнт пропорційності.

У загальному випадку обидві теорії потрібно враховувати разом, оскільки жодна з них окремо не відбиває повною мірою всіх явищ, які відбуваються під час подрібнювання, і не враховує всіх витрат енергії.

За спостереженнями Ребіндера, енергія, яка витрачається на подрібнювання матеріалу, є сумою робіт, що йдуть на деформацію тіла перед руйнуванням і на утворення нових поверхонь:

А = А1+А2 = k1ΔS + k2 ΔV

Під час крупного і середнього подрібнювання поверхня, що утворилася наново, порівняно невелика; основна робота витрачається на деформацію матеріалу. Тому другий доданок правої частини рівняння (3.5) у багато разів більший від першого. У цьому випадку робота подрібнювання пропорційна зміні об'єму твердого тіла або просто пропорційна об'єму твердого тіла, оскільки зміна об'єму залежить від початкового об'єму тіла.

Під час тонкого подрібнювання переважає перший доданок рівняння, тому що поверхня збільшується у багато разів. У зв'язку з цим другим доданком можна знехтувати.

У феноменологічному рівнянні рушійні сили виражені не прямо, а посередньо - через результат їхньої дії. Рушійна сила для здійснення механічної роботи виражена через приріст площі вільної поверхні частинок, а для здійснення роботи деформації - через їхню деформацію.

4. Машини для подрібнювання

Відповідно до існуючої класифікації, машини для подрібнювання поділяються на дробарки та млини. Дробарки використовують для крупного і середнього дроблення, млини - для дрібного, тонкого і колоїдного дроблення.

Основні машини для подрібнювання, залежно від конструктивних особливостей, поділяються на такі типи: дробарки щокові конусні, валкові, молоткові, барабанні; бігуни та кульові, стрижневі, вібраційні, колоїдні млини тощо.

Різальні машини бувають дискові, пластинчасті, роторні, відцентрові різаки, вовчки і кутери.

До всіх машин для подрібнювання можна сформулювати такі загальні вимоги: рівномірність шматків подрібненого матеріалу; своєчасне видалення подрібнених шматків із робочого простору; зведення до мінімуму пилоутворення; безперервне і автоматичне розвантаження; можливість регулювання ступеня дробіння; мож-ливість легкої заміни швидко зношуваних деталей; невелика витрата енергії на подрібнювання одиниці продукції; необхідність мати запобіжні пристрої, які запобігали б аварії всієї машини в разі потрапляння в зону подрібнювання міцних предметів.

Під час вибору машини для подрібнювання необхідно керуватися правилом, згідно з яким процес проводять тільки в тих машинах, які можуть забезпечити необхідний ступінь дрібнення продукту. Коли необхідно досягнути великого ступеня подрібнювання матеріалу, який має значні вихідні розміри, процес рекомендується проводити послідовно в декількох машинах. При цьому вибирають найбільш придатні апарати з основних трьох груп машин для подрібнювання: для крупного, середнього і дрібного подрібнювання, тонкого і колоїдного помелу.

Крупне подрібнювання в харчових виробництвах застосовується мало. До машин, які здійснюють таке подрібнювання, відносяться щокова і конусна дробарки.

До найпоширеніших у харчовій промисловості дробарок давильної дії належать валкові дробарки. їх використовують для середнього і тонкого дроблення зерна в млинах і на крупорушках, солоду на пивоварних заводах, плодів і овочів на консервних заводах, шоколадної маси у кондитерському виробництві і т.д. Робочою чистиною валкових дробарок є горизонтальні валки, кількість яких може бути різною; найчастіше дробарки мають пару валків. Циліндрична поверхня валків може бути гладкою, зубчастою, ребристою або рифленою. Схему валкової дробарки зображено на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Валкова дробарка: а - принципова схема; б - розрахункова схема

Дробарка складається з валків 1 і 2, які обертаються назустріч один одному. Підшипники валка 1 нерухомі, а валка 2 - рухомі. Останні утримуються за допомогою пружини 3, що дає можливість валку 2 зміщуватись, коли в дробарку потрапляють надто міцні сторонні предмети. За однакової швидкості обертання обох валків захоплений ними матеріал потрапляє у вузький проміжок (зазор) 4 і роздавлюється. Якщо швидкість обертання валків різна (при співвідношенні швидкостей 1:2,5 для рифлених і 1:1,25 або 1:1,5 для гладких валків), то матеріал, крім роздавлювання, піддається розтиранню, а у випадку використання рифлених або зубчастих валків - ще й розколюванню.

Продуктивність валкової дробарки може бути визначена таким розрахунком. Об'єм матеріалу, який виходить із дробарки за один оберт валків, відповідає об'єму паралелепіпеда з основою, рівною площі щілини, і висотою, рівною довжині кола валка.

Рис 3.4. Схеми дробарок ударної дії: а - молоткової; б - дезінтегратора

Для дрібного і тонкого подрібнювання (помелу) зерна, цукру, солі, солоду, сухих плодів і картоплі в харчовій промисловості використову-ють машини, в яких процес подрібнювання здійснюється розбиванням. До цієї групи відносяться молоткові дробарки і дезінтегратори (рис. 3.4).

У молотковій дробарці (рис. 3.4, а) сировина 2 подрібнюється від ударів молотків 4, які обертаються, а також внаслідок ударів матеріалу по ребристій поверхні стінок корпусу 3. Матеріал вивантажують крізь сито 1, величина отворів якого визначає ступінь подрібнювання матеріалу. Ступінь подрібнювання матеріалу залежить від швидкості обертання молотків. Колова швидкість на кінцях молотків дробарки під час подрібнювання зерна становить 70-90 м/с.

Дезінтегратори належать до дробарок, подрібнювання в яких грунтується на принципі вільного удару. Дезінтегратор (рис. 3.4, б) має два диски 3 і 4, кожен з яких дістає рух від окремих приводних валів 1 і 8. Вали обертаються у протилежних напрямках від шківів 2 і 7. На дисках по концентричних колах закріплені пальці 5. Ряди пальців одного диска проходять між рядами пальців другого. Матеріал надходить у дробарку через бункер 6 і подрібнюється ударами пальців дисків, що швидко обертаються. Подрібнений матеріал вивантажується крізь люк 9 у нижній частині корпусу. Швидкість обертання дисків 200-3000 об/хв.

а - загальний вигляд;                б - переміщення куль

Рис. 3.5. Схема барабанного млина

Дезінтегратори мають високу продуктивність, що досягає 0,6 кг/с. Переваги дезінтеграторів: простота пристрою, високі продуктивність і ступінь подрібнювання, надійність у роботі. Недоліки: підвищене спрацювання пальців, значне пилоутворення, великі витрати енергії.

Барабанні млини (рис. 3.5) широко використовують для тонкого помела матеріалів у багатотоннажних виробництвах. Робочими елементами цих млинів є захищений броньованими плитами барабан 2 і завантажені в нього подрібнювальні тіла 1 (фарфорові або сталеві кулі, стрижні, морська галька).

Під час обертання барабана подрібнювальні тіла відцентровою силою притискуються до його стінки, піднімаються на деяку висоту, а потім під дією сили тяжіння надають або скочуються вниз. Матеріал, який знаходиться в барабані, подрібнюється шляхом розтирання і удару. Подається матеріал у млин і виводиться з нього крізь порожнисті цапфи барабана. Переміщується матеріал під дією різниці його рівнів на вході і виході, а також під дією обертання барабана. Чим вища швидкість обертання барабана, тим більша відцентрова сила і, отже, на більшу висоту піднімуться подрібнювальні тіла (кулі, стержні, галька). Відцентрова сила може вирости із збільшенням частоти обертання настільки, що її величина перевищить силу тяжіння подрібнювальних тіл. Останні будуть обертатися разом з барабаном, не здійснюючи корисної роботи подрібнювання.

Щоб куля з масою m не оберталася разом з барабаном, а падала на подрібнювальний продукт, її сила тяжіння G повинна бути більшою від відцентрової сили Р, тобто G > Р: або mg > mώ2R.

На рівномірність подрібнювання сировини в барабанному млині впливає ступінь заповнення барабана кулями, а також їхній розмір. Барабан звичайно заповнюється кулями не більше ніж на 30-35% його об'єму.

Принцип дії вібраційного млина відзначається тим, що за допомогою спеціального устрою-вібратора, який знаходиться на одній осі з електродвигуном, барабан з кулями вібрує, а не обертається, як у барабанному млині. При цьому кулі, які знаходяться в барабані, завдяки сильній трясці розбивають шматки подрібнювального матеріалу.

У практиці досить часто використовують також комбіновані подрібнювані. Прикладом такої машини є комбінований млин (рис. 3.6), який використовують у кондитерському виробництві для тонкого подрібнювання горіхів та крупки

.

Схема комбінованого млина

Млин відноситься до обладнання ударної та розтирально-роздавлювальної дії. Він обладнаний дезінтегратором і трьома валками, які змонтовані на загальній станині. У дезінтеграторі відбувається попереднє грубе подрібнювання продукту, а валки забезпечують його остаточне тонке подрібнювання. Із бункера 5 шнековий дозатор 4 забезпечує рівномірну подачу продукту на дроблення. Пройшовши магніт З, продукт попадає на дезінтегратор б з пальцями 7, а з останнього - через патрубок 8 у зазор між валками 1 і 2. Валок 2 обертається швидше, чим валок 1, тому подрібнювана маса, пройшовши зазор між ними, переходить на валок 2. Над валком 2 розміщений валок 9, який обертається швидше від валка 2. Завдяки тому, що зазор між валками становить 50-100 мкм, за різної частоти обертання досягається ефект роздавлювання частинок та їх розтирання. Тонкоподрібнена маса знімається з валка 9 ножем 10, по якому вона стікає в лопатевий змішувач 11. Регулювання зазорів між валками здійснюється за допомогою індивідуальної гідравлічної системи. Усі розглянуті апарати призначені для подрібнювання твердих матеріалів і продуктів. Однак у харчовій промисловості та ресторанному господарстві часто виникає необхідність подрібнити сировину і продукти, які складаються з твердих і м'яких компонентів. Це м'ясо-кісткова та рибна сировина, овочі, ягоди та фрукти для виготовлення з них паст і пюре, бульби картоплі подрібнені в кашку у виробництві крохмалю. Наприклад, у консервному виробництві використовуються протиральні машини, робота яких полягає у відокремленні подрібненої маси овочевої та плодово-ягідної сировини від насіння, камер насінного гнізда і шкірки.

Схема протиральної машини, основними робочими елементами якої є нерухоме циліндричне металеве сито і розміщені в ньому лопаті - била, які обертаються на валу. Плоди кісточкових культур протирають на протиральних машинах з билами із дроту чи з гумовими накладними билами. Сировина з бункера подається в циліндричне сито. Відцентровою силою, яка виникає під час обертання бил, продукт притискується до сита. Під впливом бил відбувається роздавлювання, розтирання продукту та продавлювання м'якоті через сітчасті стінки сита. Подрібнена маса продукту збирається в збірнику. Била встановлюються під невеликим кутом (1-3°) до осі циліндричного сита, внаслідок чого шкірка й насіння, які не пройшли через сито, переміщуються вздовж циліндра і вивантажуються через розвантажувальний патрубок.

Процес подрібнювання - один з основних етапів технології виробництва картопляного крохмалю. Від якості подрібнювання сировини залежить вихід крохмальних зерен, які містяться в клітинах картоплі. Для подрібнювання бульб картоплі в кашоподібну масу використовують терочну барабанну машину.

У харчовій технології має місце також процес шліфування - видалення відносно тонких поверхневих шарів матеріалу із зернистих або штучних твердих продуктів округлої форми: коренеплодів, зерна, зернових крупок тощо. Для цього використовують машини з абразивними поверхнями, які обертаються і знімають тонку шкурку з поверхонь коренеплодів або зерен. Зняте лушпиння відводиться з машин водою або повітрям. Варіанти конструктивного оформлення подібних машин різноманітні і розглядаються в спеціальних роботах.

5. Різальні машини

Процеси різання застосовують у консервному, цукробуряковому, м'ясопереробному, хлібопекарному, кондитерському та інших виробництвах. Різання надає сировині певної форми, розмірів та необхідної якості поверхні. Робочим органом у різальних машинах є ніж.

Рис. 3.8. Види ножів та способів різання

Ножі (рис.3.8) мають форму двогранного одностороннього або двостороннього клина. Грань А одностороннього клина є робочою, або лицевою. Плоска грань Б називається опорною (рис. 3.8, а). У двосторонньому клині (рис. 3.8, б) обидві грані робочі. Лінія перетину граней називається ріжучим (робочим) пругом або лезом. Кут а і 2а між гранями називається кутом загострення. Різання за допомогою ножів часто називають різанням лезом. Якщо ріжучий пруг ножа має зубчасту форму, ножі називають пилками.

Різання можна поділити на три основні види: різання пуансоном (рис. 3.8, в), різання різцем (плоским клином, рис. 3.8, г), різання ножем (рис. 3.8, ґ). Пуансон 3 під дією сили Р, яка направлена перпендикулярно своїй робочій грані, зрізає матеріал 2, що знаходиться на матриці 1. За його допомогою ріжуть в основному тверді харчові продукти, наприклад овочі. Різець 3 (рис. 3.8, г) і ніж (рис. 3.8, г) діють на матеріал 2, що знаходиться на опорній плиті 1, як клини. За їх допомогою ріжуть тверді, пластичні і м'які харчові продукти: м'ясо, рибу, хліб, овочі тощо.

Залежно від форми і конструкції різального інструменту різальні машини поділяють на три групи:

1) з дисковими ножами;

2) з фігурними ножами (серпоподібними, прямокутними та ін.);

3) з комбінованими ножами, які розрізують продукт у двох взаємно перпендикулярних напрямках.

Ножам у різальних машинах надають обертового, поступального, поворотно-поступального, планетарного і вібруючого руху. Є різальні машини, в яких ножі нерухомі.

Залежно від напрямку відносного переміщення ножа і продукту подрібнювання поділяється на рубку та різку. Під час рубки різальний інструмент переміщується відносно продукту перпендикулярно ріжучому пругу (лезу), під час різки - під гострим кутом до ріжучого пруга. Звісно, під час різки на відміну від рубки для здійснення процесу потрібні менші зусилля за кращої якості поверхні розрізу.

Найбільшого поширення в харчовій промисловості набули дискові і відцентрові різальні машини, а також вовчки та кутери; вони мають декілька різновидів.

Рис. 3.9. Схеми багатодискових різальних машин

На рис. 3.9 зображено дві схеми багатодискових різальних машин. М'ясорізка (рис. 3.9, а) використовується для розрізування шматків м'яса на смуги певної ширини. У корпусі 1 із завантажувальним бункером змонтовані вал 3 з дисковими ножами 2 і напрямний гребінець 4. Дискові ножі закріплені на валу 3 з проміжними шайбами між ними.

У машині для різання цукеркових пластів (рис. 3.9, б) ножі являтимуть собою диски 1 товщиною 1-3 мм із інструментальної легованої сталі (вони надіті на сталевий вал 4, між ножами є текстолітові втулки 3.

Міняючи втулки 3, регулюють ширину смуги, що відрізається. Цукеркова маса з малим вмістом жиру прилипає до ножів. Гребінка 5 не дає змоги цукерковій смузі рухатися разом з ножами.

Продуктивність (у кг/год) різальних машин з дисковими ножами для виробів у вигляді смуги визначається за формулою

М= 3600 h lνρμ (z-1), (3.11)

де l - ширина щілини між дисками, м; h - висота шару продукту, що розрізається, м; ν - лінійна швидкість подачі продукту (шару чи смуги), м/с; ρ - густина продукту, кг/м3; z - кількість ножів на валу; μ - коефіцієнт, який враховує кількість відходів та використання максимальної продуктивності різального механізму.

Дискова овочерізка працює так. Корпус овочерізки має форму колового клина. Сировина подається в робочу зону бункера і при обертанні диска під дією відцентрової сили заклинюється між корпусом і диском. Лезо ножа, що закріплений на диску, зрізає шар матеріалу. Нарізані овочі вивантажуються через лоток.

Кутери використовують для тонкого подрібнювання м'ясних продуктів до однорідної гомогенної маси їх в основному застосовують для приготування фаршу ковбасних виробів. Кутер має чашу, що повільно обертається на вертикальном валу. М'ясо в чаші подрібнюється серпоподібними ножами, що закріплені на горизонтальном валу і швидко обертаються. Вони рухаються дотично до поверхні чаші.

При високій частоті обертання (n = 500-3000 хв-1) ножі забезпечують високу швидкість різання із зісковзуванням. Ножів установлюють від трьох до 12. У місці їх установлення (в зоні подрібнювання) чашу закривають кришкою 3. Кутери можуть працювати під вакуумом.

Для тонкого подрібнювання м'яса, риби, хліба, картоплі та інших продуктів використовують також різальний механізм типу вовчка, але з вищою частотою обертання ножа (n = 3000 хв-1). Конструкція вовчка скопійована з побутової м'ясорубки; при цьому збільшені геометричні розміри робочих органів та передбачена механізована подача сировини.

Питання для самоперевірки

1. Які процеси відносяться до подрібнювання та різання? Способи подрібнювання матеріалів.

2. Як визначити ступінь подрібнювання?

3. Назвіть процеси дроблення залежно від ступеня подрібнювання.

4. Чим характеризується тонке і надтонке подрібнювання?

5. Назвіть сферу застосування молоткових дробарок.

6. Які машини застосовують: а) для подрібнювання і помелу зерна; б) для різання овочів та фруктів?

7. Які основні умови роботи валкових дробарок, вплив кута захоплення?

8. Класифікація машин для подрібнювання.

9. Суть теорії подрібнювання. Як визначається робота, яка затрачується на подрібнювання?

10. Дробарки, які застосовуються при крупному подрібнюванні. Будова, робота, переваги та недоліки.

12. Дробарки, які застосовуються для тонкого подрібнювання. Будова, робота, переваги і недоліки.

13. Які вимоги пред'являють до подрібнювачів? Класифікація методів подрібнювання і дробильних машин.

14. Робочі органи різальних машин.

15. Принципові схеми кутера і вовчка.

ПРЕСУВАННЯ

6. Сутність та призначення процесу

Пресуванням називається процес механічного оброблення продукту, коли його піддають зовнішньому тиску в спеціальних апаратах -пресах. Він має три основні мети:

1) відділення рідини з твердих матеріалів (віджимання);

2) надання пластичним матеріалам означеної форми (формування, штампування, екструзія);

3) ущільнювання матеріалів для підвищення їх міцності і покращення транспортування (брикетування, таблетування і грануляція).

7. Віджимання рідини  

Віджимання рідини за допомогою тиску використовується в таких випадках:

1) коли рідина набагато цінніша ніж твердий залишок;

2) коли твердий залишок є цінним продуктом, а наявність у ньому рідини погіршує умови зберігання, транспортування і подальшого використання.

3) коли цінною є і рідина, і твердий залишок.

Прикладом першого призначення є віджимання соку з цукрової тростини, виділення соків із ягід і плодів у виноробстві і консервному виробництві, виділення олії з насіння соняшника у виробництві олій, віджимання жиру із м'ясної шкварки в м'ясному виробництві. Приклади другого призначення - віджимання води з пір'я після миття, води з бурякового жому, вмісту кишок у м'ясопереробній промисловості, сироватки від сирної маси у виробництві сиру. Приклад третього призначення - розділення какао тертого на два продукти: какао-масло і какао-жом у кондитерському виробництві.

Оскільки найбільш розповсюдженим віджиманням є одержання соків із овочів, плодів і ягід (у світі щорічно переробляють близько 70 млн т винограду, 40 млн т яблук та 35 млн т цитрусових плодів), то розглянемо цей процес. Основним показником, що характеризує процес, є вихід рідини.

На вихід рідини впливають фізіологічні та фізико-хімічні властивості вихідної сировини (характер зв'язку рідинної фази та пектинових речовин, спосіб попереднього оброблення, в'язкість), а також величина робочого тиску та інтенсивність його підвищення, температура й тривалість процесу, товщина шару та інші фактори. Рослинна сировина, яка піддається пресуванню, - це клітинна структура з напівпроникною протоплазмою, яка перешкоджає виходу соку з клітини. Отже, клітинна проникність є головним фактором, який зумовлює вихід соку під час віджимання. Чим вища проникність клітин і сильніше пошкоджена протоплазма в процесі попереднього оброблення, тим більший вихід соку під час віджимання. Для того щоб протоплазма клітин втратила здатність утримувати сік, сировину попередньо обробляють різними способами: подрібнюванням (механічним пошкодженням клітин), нагріванням (білки протоплазми коагулюють), заморожуванням (кристали льоду розривають клітини і під час розморожування сік легко відокремлюється), електричним струмом (миттєва загибель протоплазми).

Фізична суть віджимання рідини пресуванням полягає ось у чому. Під час зближення частин матеріалу, всередині і на поверхні яких рідина утримується силами молекулярного зчеплення, спочатку починається рух рідини в каналах між частинами, а потім у процесі пресування рідина рухається в шарі пористого матеріалу в капілярах змінного перерізу і кривини, тобто процес подібний до фільтрування.

У харчовій промисловості для віджимання рідин використовують преси найрізноманітніших конструкцій періодичної та безперервної дії. Їх поділяють на такі групи: механічні, гідравлічні та пневматичні. Найбільше користуються гідравлічним пресом. Він діє періодично і приводиться у рух за допомогою рідини, яка нагнітається насосом високого тиску. Застосовують прес із двома або трьома платформами, одна з яких знаходиться під тиском, а інші - на розвантаженні вичавок і завантаженні м'язги.

Після видавлювання соку платформи міняють місцями: платформа з новою м'язгою надходить на видавлювання соку, а інші - на розвантаження і завантаження. На рис. 3.12 наведено принципову схему гідравлічного преса.

Схема гідравлічного преса

Під тиском у робочий циліндр 6 насосом 7 подається мінеральне масло, яке примушує плунжер 5, з'єднаний з плитою - траверсою 3, рухатися вгору. Плита 3 піднімається по направляючих колонах 1, які з'єднані з верхньою нерухомою плитою 2. Віджата рідина (сік чи олія) збирається в чашці 4 на траверсі 3.

М'язгу закладають у плоскі пакети із сукна (під час одержання олії) або мішковини чи лавсанової тканини (під час пресування плодів та ягід). Товщина шару м'язги в одному пакеті під час пресування плодів та ягід становить 50-80 мм, що сприяє більшому виходу соку. Ці пакети (кількістю до 15 - 25) укладають на рухому плиту-траверсу. Між пакетами поміщають сталеві листи або дренажні решітки. Робочий цикл такого пресу включає: завантаження траверси пакетами; підйом пакетів і притискання їх до верхньої плити, витік основної маси рідини за порівняно невисокого тиску (для олії - до 5 МПа); підвищення тиску (для олії - до 80 МПа); витримка під цим тиском; опускання траверси, розвантаження.

Останнім часом на підприємствах харчової промисловості преси пері-одичної дії замінюють пресами безперервної дії. Зразком можуть бути шнекові преси. Пресуюче зусилля в цих пресах створюється одним чи декількома шнеками, які переміщують матеріал. На рис. 3.13 представлена схема шнекового преса, який використовують для віджимання олії, томатного, виноградного та інших соків із м'язги.

Схема шнекового преса

У перфорованому циліндрі 1, розміщеному в горизонтальному корпусі 2, розташований шнек 3 з кроком, який зменшується. Шнек 3 призначений як для транспортування матеріалу, так і для віджимання з нього рідини, яка відводиться у вигляді різних фракцій через отвори в основі корпусу. Остаточне добування рідини досягається в камері тиску 4. Вихідний отвір преса закривається конусом 5, за допомогою якого регулюється ширина кільцевого зазору, а отже й ступінь віджимання рідини. Внутрішню частину циліндрів і вал таких шнеків роблять циліндричними або східчастими; витки шнеків виготовляють різними за профілем, довжиною і висотою.

Віджимання рідини з матеріалу в шнековому пресі відбувається внаслідок поступового ущільнення маси матеріалу внаслідок таких процесів:

- зменшення об'єму матеріалу, який знаходиться між витками, завдяки зменшенню кроку витків або їх діаметра, або одного й другого разом;

- механічного впливу витків на матеріал під час обертання шнека;

- тертя матеріалу, що пресується, по поверхні шнека, циліндра і частинок матеріалу між собою;

- опору в камері тиску.

Вихід рідини та її якість залежать від ступеня стиснення матеріалу між витками шнека, який характеризується коефіцієнтом стиснення - відношенням об'єму матеріалу в першому витку шнека V1 до об'єму віджатої маси в останньому витку Vг:                      К = V1 / V2

Під час віджимання соку з винограду К =3−6.

Під час віджимання олії K = 3−23.

Продуктивність шнекового пресу по сировині (у кг/с):

М =S ν0ρφ

де t - крок першого витка шнека, м; n - частота обертання шнека за 1 с; ρ - об'ємна маса м'язги, кг/м3; φ - сумарний коефіцієнт запо- внення переріза шнека і всього преса (φ=0,3-0,8).

Для віджимання використовують також валкові, ексцентрикові, стрічкові, відцентрові та комбіновані преси безперервної дії.

На рис. 3.14, показано схему дії вальцьового преса, який використовується для віджимання рідини з картопляної м'язги у виробництві крохмалю.

Схема вальцевого преса

8. Формування пластичних матеріалів

Формуванням надають пластичним матеріалам визначену форму. Цей спосіб оброблення використовують для формування хлібопекарських дріжджів, виготовлення з тіста хлібобулочних і макаронних виробів, формування карамелі, цукеркових мас і заготовок з тіста в кондитерському виробництві.

Оброблення матеріалів формуванням припускає такі способи його здійснення: нагнітання, прокатування, штампування та екструзію.

Під час здійснення процесу формування пластичних мас враховуються їх фізико-механічні характеристики, насамперед - в'язкість, пластичність, еластичність та адгезійну властивість. Оскільки найбільш розповсюдженим у формуванні є виготовлення виробів із тіста, то зупинимось коротко на характеристиках тіста, які необхідно враховувати при здійсненні цього процесу. Будь-яке тісто (дріжджове, макаронне та ін.) в реологічному відношенні належить до розряду пружно-пластично-в'язких тіл, для яких характерне поєднання в'язкої течії та пружно-пластичних деформацій. Воно здатне зберігати свої властивості до визначеної межі. За цією межею тісто докорінно змінює свої реологічні властивості - починає необоротно деформуватись і тече, як в'язка рідина. Це настає тоді, коли прикладені сили перевищують опір структури пружної системи. Для тіста характерне також явище релаксації. Релаксацією (розсмоктуванням) напруження називається його зменшення за постійної, фіксованої деформації тіла. При цьому релаксація відбувається протягом визначеного періоду. Під періодом релаксації розуміють час, протягом якого зменшуються в "е" разів внутрішні напруження в тісті, де "е" - основа натурального логарифма. У зв'язку з цим тривалість формування, штампування не повинна бути меншою за період релаксації. Інакше кажучи, для надання й фіксування форми макаронних виробів, які випресовуються, або збереження будь-якого малюнка на тісті, який наноситься штампом, необхідно не тільки прикласти певний тиск (вищий за критичне значення), а й витримати деякий час (не менший періоду релаксації) тісто, що формується, під цим тиском.

Тісту властива також здатність прилипання (адгезії) до робочих поверхонь обладнання, з якими воно знаходиться в контакті. Величину міцності адгезії насамперед визначають властивості тіста (в'язкість) і два параметри процесу - тиск і тривалість контакту. Найбільш радикальним способом не тільки зниження, а й практично повного усунення прилипання тіста до поверхонь обладнання (матриць макаронних пресів, закатувальних, округлюючих механізмів) є покриття їх тонким шаром (до 50 мкм) пластмаси фторопласту.

Преси, які використовуються для формування матеріалів, залежно від способу дії поділяються на нагнітальні, прокатувальні (закатувальні) і штампувальні. Нагнітальні преси широко використовуються для формування дріжджів, макаронних, цукеркових та інших виробів. Такі преси безперервної дії складаються з нагнітального пристрою і формувального пристрою - матриці. Основна частина нагнітальних пресів - матриця - являє собою металевий диск (кругла матриця) або прямокутну пластину (тубусна матриця) з наскрізними отворами, профіль яких визначає форму та зовнішній вигляд виробу (трубка, нитка, стрічка та ін.)

Схема шнекового преса для виготовлення макаронів

Шнековий прес для виготовлення макаронів, вермішелі і локшини, зображений на рис. 3.15, складається з тісто-змішувача 1, нагнітального шнека 2 і пресової головки 3, яка забезпечує рівномірний тиск тіста на матрицю 4. Тиск пресування в шнекових макаронних пресах; становить 9-12 МПа, середня швидкість пресування (виходу макаронних виробів із матриці) 0,015-0,05 м/с. Аналогічний устрій має і машина для формування джгутів цукеркових мас.

Прокатувальні преси, які використовуються для надання шматкам тіста кулеподібної форми, називаються округлювальними машинами, а циліндричної форми - закатувальними. Округлювання і закатування шматків досягається при просуванні тіста між двома робочими поверхнями, які переміщуються відносно одна одної і чинять деякий тиск (до 0,1 МПа) на пластичну масу - тісто.

Схема закатувальної машини для тіста

Принципова схема машини стрічкового типу для формування заготовок з тіста. Закатування шматків тіста 2 проходить під час просування його вздовж зазору, утвореного стрічками двох транспортерів 1 і 3, які переміщуються в протилежні боки з різними швидкостями. Шматок тіста при цьому, обертаючись навколо своєї вісі, рухається до виходу із зазору і поступово набуває форми циліндра.

Схема барабанної штампувальної машини

Штампувальні преси використовуються в кондитерській промисловості і у виробництві печива (рис. 3.17). При цьому на поверхню виробу досить часто наносять малюнок. Матеріал, що формується (тісто) 1, із лотка 2 підбирається приймальним барабаном 3. Потім на нього впливає штампувальний барабан 4, на якому нанесено штамп малюнка. Матеріал 7, на який нанесено малюнок, подається відвідним барабаном 5 на лоток 6 для готового продукту.

Екструзія - продавлювання тістоподібної маси через матрицю під тиском і за високої температури. Продукти, які одержують за допомогою цього процесу, мають підвищені харчові властивості, меншу густину, більшу гігроскопічність і крихкість, краще засвоюються організмом людини. Це - кукурудзяні палички, сухі сніданки, фігурні круп'яні вироби, харчові концентрати швидкого приготування.

Для здійснення екструзійних процесів використовують різні екструдери. На рис. 3.18 представлено схему черв'ячного (шнекового) екструдера.

Схема черв’ячного екструдера

Продукт, який підлягає екструзії, завантажується в бункер 5 з порожниною 1 для охолоджувальної води. Із бункера продукт затягується і переміщується вздовж апарата черв'яком (шнеком) 2, у канал 3 якого поступає гаряча вода для нагрівання продукту. Циліндр 4 також нагрівається за рахунок електричних нагрівачів 10. Нагрітий або навіть розплавлений продукт черв'яком продавлюється через фільтрувальну сітку 9, а потім решітку 8 у головку 6. Із головки продукт виходить через формувальний канал - матрицю 7. За рахунок миттєвого перепаду температури й тиску в головці 6 (між зоною високого тиску 25 МПа і зоною атмосферного тиску) відбувається миттєве випаровування вологи, акумульована продуктом енергія звільнюється зі швидкістю близькою швидкості ви-буху, що приводить до утворення пористої структури та збільшення об'єму екструдата (спучування). При цьому внаслідок "вибуху" продукту відбуваються глибокі перетворення його структури: розрив клітинних стінок, деструкція, гідроліз.

9. Ущільнювання сипких матеріалів

Процес пресування сипких матеріалів (брикетування) широко використовується під час виробництва цукру-рафінаду, багатьох харчових концентратів, вітамінів, комбікормів. Його головна мета - зв'язати частини зернистих сипких матеріалів у певну форму - таблеток, округлих гранул, кубиків, паралелепіпедів, брикетів і т. ін. Це, в свою чергу, дозволяє збільшити якість і тривалість використання продукту, зменшити витрати, покращити транспортування тощо. Різновидністю брикетування є таблетування й грануляція. Таблетки і гранули мають менші розміри у порівнянні з брикетами.

Промисловість виробляє гранульовані: чай, каву, харчові концентрати, цукерки та ін.

Оскільки процес брикетування знаходить особливо широке використання в цукрорафінадному виробництві, розглянемо цей процес. Під час пресування рафінадної кашки вологістю 2-3% відбувається переміщення кристалів і заповнення простору між ними. Поруватість маси при цьому зменшується, збільшується взаємне зчеплення кристалів у брикеті, який набуває міцності. Міцність пресованого рафінаду збільшується з підвищенням вологості й температури рафінадної кашки. При цьому волога, яка є в кашці, під час сушіння кристалізується і виконує роль речовини, що цементує і зв'язує кристали в брикеті. Ущільнювання маси характеризується коефіцієнтом пресування (в %):

β =100(V1-V2)/V1, (3.15)

де V1, V2 - об'єм маси відповідно до і після пресування. Коефіцієнт пресування цукру-рафінаду становить 28 - 30%.

Для брикетування рафінаду особливо широке: використання одержали машини із зворотно поступальним рухом пуансонів і з одностороннім пресуванням. До числа таких машин відноситься карусельний прес, схему роботи якого зображено на рис. 3.19.

Схема роботи карусельного пресу

Пресування відбувається в спеціальних формах (матрицях) 1 за допомогою пуансонів 2, що стискують кашку 3. Пуансон опускається в нижнє положення (позиція І), після цього матриця наповнюється продуктом (позиція II), потім здійснюється стиснення матеріалу пуансоном (у цю мить над матрицею знаходиться плита 4, позиція III), і, нарешті, пуансон виштовхує готовий брикет із матриці (позиція IV). Особливим пристроєм брикет зсувається на транспортуючий механізм. Продуктивність преса визначається частотою обертання каруселі і кількістю матриць. Карусельний прес розвиває тиск близько 15-20МПа.

Питання для самоперевірки

1. Якої мети досягають пресуванням?

2. Якими способами можна створити тиск пресування?

3. Які матеріали піддають пресуванню?

4. Які преси застосовують у виробництві соків, а які - у виробництві макаронних виробів?

5. З якою метою і як ущільнюють сипучі матеріали?

6. Як працюють екструдери?

7. Принцип роботи карусельного пресу для брикетування рафінаду

8. Наведіть схему шнекового преса для віджимання рідин.

9. Що таке коефіцієнт стиснення при пресуванні, який його вплив на вихід рідкої фракції?

10. Як визначається продуктивність шнекових пресів?

11. Особливості пресування тістових напівфабрикатів.

3.3. ЗМІШУВАННЯ ТА ПОДІЛ СИПКИХ МАТЕРІАЛІВ

3.3.1. Процес змішування сипких продуктів

Змішуванням називається механічний процес рівномірного розподілення компонентів речовин у змішуваному об'ємі. Процес змішування полягає у взаємному переміщенні частинок окремих компонентів суміші. Ці переміщення приводять до перерозподілу частинок різних компонентів. Деякою мірою процес змішування подібний до процесу молекулярної дифузії, проте якщо процес дифузії йде само-довільно, то в процесі змішування взаємне переміщування частинок здійснюється за рахунок підводу до них механічної енергії спеціальними пристроями. На процес змішування впливають співвідношення густий змішуваних компонентів, розміри й форма їхніх частинок, інші фізичні властивості. Процес складання сумішей із сухих сипких компонентів часто використовується в харчових виробництвах. Так, у хлібопекарній промисловості змішують різні сорти борошна, в кондитерському виробництві змішують цукор з іншими компонентами (порошком какао тощо), у виробництві харчових концентратів змішують сухі суміші і напівфабрикати (до десяти різних компонентів), у молочній промисловості - змішують компоненти сухих молочних каш, тощо.

Важливим параметром, що визначає якість змішування, є ступінь рівномірності змішування. Він оцінюється на основі статистичних методів випробування. Звичайно змішування багатьох компонентів розглядається як змішування бінарної суміші А+В: ключового компонента В і всіх інших компонентів, об'єднаних в А. Це спрощує оцінку якості змішування, тому що дозволяє оцінити розподілення в суміші одного ключового компонента В, яке і визначає якість суміші.

Розрізняють ідеальні й реальні суміші. Ідеальною називають суміш, у якій ключовий компонент рівномірно розподілений в усьому її об'ємі. В реальній суміші ключовий компонент розподілений випадковим образом, тобто нерівномірно в різних елементарних її об'ємах. На практиці, звичайно, ніколи не прагнуть досягти ідеальної рівномірності складу суміші і переривають процес, коли результати є задовільними. Час змішування залежить перш за все від конструкції змішувачів.

Змішувачі можуть бути періодичної та безперервної дії. У змішувачах періодичної дії компоненти суміші завантажуються або одночасно, або в процесі змішування у відповідній послідовності. За час змішування досягається оптимальна якість суміші. Потім змішувач зупиняється і готова суміш вивантажується. У змішувачах безперервної дії завантаження компонентів і вивантаження суміші здійснюється одночасно з процесом змішування. За швидкісними характеристиками змішувачі поділяються на швидкісні і тихохідні. За конструктивними особливостями змішувачі бувають барабанні, стрічкові, роторні, відцентрові, черв'ячно-лопатеві, шнекові, пневмозмішувачі і змішувачі зі псевдозрідженим шаром та інші.

Схема для визначення ефективності змішування

Найбільш простим апаратом, який використовується для змішування сипких матеріалів, є циліндрична посудина, вісь якої не збігається з віссю циліндра, - так звана "п'яна бочка". Частинки сипких компонентів суміші під час обертання бочки виконують складний шлях, їх траєкторії перетинаються, що й забезпечує змішування. Процес змішування проводиться періодично, завантаження і вивантаження матеріалу здійснюється через люк у циліндричній частині апарата. Найбільш поширеними в харчовій промисловості є шнекові змішувачі різних конструкцій, робочим органом яких є один або декілька шнеків.

Схеми шнекових змішувачів для сипких продуктів

Шнековий змішувач періодичної дії зображений на рис. 3.20, а. Апарат має дві вертикальні труби 2 і 4, що розміщені одна під іншою на деякій відстані, яка розділяє змішувач 1 на дві зони змішування. Під час обертання шнека 3, встановленого всередині труб, сировина, що завантажена в змішувач 7, піднімається вгору нижньою та верхньою трубами і перемішується.

У хлібопекарній промисловості для змішування борошна різних партій і різних сортів використовується пропорційний шнековий борошнозмішувач - дозатор безперервної дії (рис. 3.20, б). Борошнозмішувач складається з металевої ємності 5, яка розділена на три секції, в кожній з них у нижній частині знаходиться шнек. Бо-рошно трьох сортів (партій) завантажується в секції, звідки шнеками 1, 2 і 3 з різною частотою обертання направляється до збірного шнека 4, який змішує борошно і одночасно направляє його на подальше перероблення.

Схема лопатевого змішувача

Лопатевий змішувач безперервної дії (рис. 3.21) має на горизонтальному валу декілька лопатей 2. Продукт поступає до змішувача через верхній бункер 3 і, переміщуючись до вихідного отвору 4, перемішується лопатями 2. Змішувачі цього типу заповнюються сировиною, яка змішується, на 1/3 ємності апарата.

3.3.2. Сортування

Сортуванням називається процес розділення матеріалів по групах (класах) відповідно до їх розмірів, форми та інших властивостей. Інколи цей термін замінюють словами класифікація або сепарація.

При цьому переслідують в основному дві мети:

1) одержання фракцій певної крупності або густини;

2) виділення з матеріалів забруднюючих їх домішок (пилу, піску, каменів, металевих предметів та ін.)

Процес сортування широко використовується в зернопереробній промисловості, на хлібозаводах, кондитерських, консервних, харчоконцентратних та інших підприємствах.

У харчовій промисловості використовуються такі способи сортування: за розміром, формою, густиною, магнітними та електростатичними властивостями частинок. Сортування за розміром частинок називається просіюванням або грохоченням; а машини, які використовуються для цього процесу, - розсівами або грохотами. Термін "грохочення" і "грохот" використовують при розділенні крупнозернистих і шматкових матеріалів, "розсів" і "сита" - при розділенні дрібнозернистих сипких матеріалів.

Основним елементом цих машин є пристрої для просіювання, до яких відносяться: металеві (дротяні) і неметалеві (шовкові, поліамідні, капронові) плетені сита, а також решета з металевих чи полімерних листів із штампованими круглими або продовгуватими отворами.

Сита:                     а) плетені                                             ;б) штамповані

Плетені сита мають квадратні або прямокутні отвори шириною 10-0,15 мм. Кожне сито характеризується живим перерізом і номером. Живий переріз сита - це відношення площі всіх його отворів до загальної площі, виражене у відсотках. Відзначимо, що живий переріз штампованих сит не перевищує 50%, у плетених воно може досягати 70%.

Обов'язковою умовою просіювання є відносне переміщення частинок по поверхні сита. При цьому частини, розмір яких менше від розміру отворів, під дією сили тяжіння провалюються крізь сито. Ця частина продукту називається проходом, друга частина, яка не пройшла через сито, — сходом. На якісну сторону цього процесу впливають товщина шару сипкого матеріалу на ситі, форма й розмір отворів і частинок, швидкість переміщення матеріалу та його вологість.

Переміщення частинок продукту відносно поверхні сит створюється зворотно-поступальним, круговим поступальним і вібраційним рухом плоских сит, а також обертальним рухом барабанних сит.

Схеми машин для просіювання (сита): а ― з поступальним рухом; б ― з коловим поступальним рухом; в ― з обертальним рухом

На рис. 3.23 представлено принципові схеми основних типів машин для просіювання. Плоскі сита (рис. 3.23, а) можуть бути як горизонтальні, так і нахилені. Зворотно-поступальний рух сит 2, які вста-новлені на опорах 3, здійснюється кривошипно-шатунним або ексцентриковим механізмом 1. Для того щоб частинка переміщувалась по ситу, привідний вал повинен мати визначену частоту обертання.

На борошномельних, крохмало-паточних та інших підприємствах для сортування продуктів помелу використовують машини з круговим поступальним рухом сит - розсіви (рис. 3.23, б).

Сита в розсівах здійснюють кругові рухи, але не обертаються навколо вертикальної осі, а переміщуються по колу. Схоже рухається сито в руках хазяйки, яка просіює борошно. Звичайно розсів складається з двох або чотирьох корпусів 4, в кожному з яких розміщено від 12 до 20 встановлених одне над одним горизонтальних сит різних номерів, що дозволяє розділити продукт на декілька (до семи) фракцій. Корпуси жорстко зв'язані між собою і за допомогою тросів 7 підвішені до несучої конструкції міжповерхового перекриття. Привідний механізм розсівів складається з головного вала 3 і балансирного вала 6 з балансирами 5, які зрівноважують сили інерції корпусів під час роботи. Вся привідна система підвішена в підшипнику 2. Осі головного і балансирного валів ексцентричні. Балансирний вал обертається в підшипниках 7, які жорстко закріплені на рамі ситових корпусів.

Бурати - машини із ситами, які обертаються, мають барабани циліндричної, шестигранної або конічної форми (рис. 3.23, в). Робочу поверхню барабана виконано із сит з отворами різної величини. Вісь циліндричного і шестигранного буратів зазвичай розміщують під кутом 5-10° до горизонту, а конічного - горизонтально. При обертанні барабана матеріал під дією сили тяжіння переміщується вздовж сита. Прохід зсипається в приймальний короб, який знаходиться під барабаном, а крупні частинки (відділені домішки) проходять усю довжину барабана і сходять з нього, перевалюючись через край.

Чим більша частота обертання барабана, тим більша продуктивність бурата. Однак із збільшенням частоти обертання зростає відцентрова сила, яка притискує матеріал до внутрішньої поверхні барабана. При визначеній частоті обертання матеріал може так притиснутися до стінок барабана, що почне обертатися разом з ним, не переміщуючись уздовж сита.

Межова частота обертання барабана визначається за умови: відцентрова сила Р, діюча на частинки, повинна бути меншою їх сили тяжіння G

Виражаючи ці сили через масу матеріалу т і відповідне прискорення, одержимо:

тώ2r<тg,

де r - радіус барабана, м; ώ - кутова швидкість обертання барабана, 1/с.

Для того щоб під час обертання барабана частинки піднімались приблизно на половину його висоти, та робочу частоту обертання приймають рівною половині розрахованої за формулою, тобто:

nр = 0,25/ r

Основний недолік буратів - невелика продуктивність у зв'язку з тим, що в роботі бере участь тільки частина їхньої ситової поверхні.

Сортування за формою частинок. Цей спосіб сортування широко використовується на борошномельних підприємствах для очищення зерна від сміття і різних домішок, які мають такі самі, як і зерно, розміри в поперечному перетині, але відрізняються більшою чи меншою довжиною.

На рис. 3.24 зображено принципову схему барабанного трієра, який використовують для сортування за формою частинок.

Схема вібраційного грохота                             Схема барабанного трієра

Внутрішня поверхня барабана 1, що обертається, має виштампувані заглиблення 2. їхні розміри і форма відповідають розмірам домішок (зерен бур'яну), для виділення яких призначений цей трієр. Зерна, що поступають до барабана з домішками, під час обертання укладаються в заглиблення, причому домішки й половинки укладаються глибше, ніж цілі зерна. Тому під час обертання барабана кондиційні зерна випадають із заглиблень раніше (затримуються скребком 5) і попадають знову на дно барабана, а домішки і половинки піднімаються вище, випадають із заглиблень у жолоб 4 і виводяться із трієра за допомогою шнека 3. Завдяки обертовому руху відсортоване зерно переміщується по барабану до протилежного кінця і відводиться через бічні отвори. Трієри бувають барабанні та дискові, тихохідні (10-20 об/хв) і швидкохідні (40-50 об/хв).

Сортування за густиною частинок (швидкістю осадження у воді і повітрі). До числа повітряних сепараторів відноситься віялка, схему якої представлено на рис. 3.25.

Схема віялки

Назустріч зерновій суміші, яка поступає із завантажувального бункера 3, вентилятором через патрубок 1 спрямовується струмінь повітря. Важкі частинки осідають у бункері 2, який розміщений ближче до завантажувального отвору 3. Більш легкі частинки (оболонки зерна) зі струменем повітря рухаються далі й осідають у наступних бункерах 6 і 5, які знаходяться від завантажувального отвору на більшій відстані. Отже, в кожному з бункерів збираються фракції продуктів помелу з відповідною густиною. Через патрубок 4 повітрям виноситься найлегша фракція суміші.

Прикладом сортування у відцентровому полі може бути дисковий сепаратор, схему якого наведено на рис. 3.26.

Схема дискового сепаратора

Матеріал, призначений для сортування, через завантажувальний бункер 4 подається на швидкообертовий диск 3 з привідним валом 5.

На диску 3 частинки суміші набувають відцентрової сили і під її впливом злітають з диска. Залежно від густини та розмірів частинок відцентрова сила, що впливає на них, різна. Тому частинки з меншою густиною або розміром подають у збірники 1 і 6, які мають більшу густину або більший розмір, летять далі (до збірників 2 і 7). До відцентрових сепараторів відносяться і апарати циклонного типу.

Гідравлічні сепаратори широко використовуються в спиртовому, бу-рякоцукровому та крохмале-патоковому виробництвах для виділення піску, каменів та інших домішок із картоплі, буряків, кукурудзяних зерен, у консервному виробництві - для сортування зеленого горошку і зерен кукурудзи, які, залежно від ступеня зрілості, мають різну густину. Схему гідравлічного сепаратора - відстійника для сортування зеленого горошку, представлено на рис. 3.27. Гідравлічний сепаратор - це ємність 1 із завантажувальним бункером 4 і патрубками: для подавання розчину 5, вивантаження легкої фракції 6, вивантаження важкої фракції 7.

Схема гідравлічного сепаратора

Горошок молочний (консервної зрілості) 3 густиною близько 1020 кг/м3 спливає вгору у розчині NaСl густиною майже 1075 кг/м3, а горошок перезрілий 2, який має більшу густину, осідає в нижній частині апарата. Час перебування суміші горошку в сепараторі — не менше ніж 15 с. Потім потоки перезрілого і зеленого горошку направляються на ситові барабани, де від них відокремлюються розчин і дрібні домішки.

Сортування за магнітними та електростатичними властивостями.

Схема барабанного електромагнітного сепаратора

У сипких матеріалах трапляються випадкові домішки у вигляді сталевих і чавунних частинок, які під час попадання до машин можуть спричинити поломку робочих органів. Тому виділенню металевих домішок у виробництві надається особлива увага. Для цього використовують магнітні та електромагнітні сепаратори. Електромагнітний сепаратор (рис. 3.28) є одночасно і основним барабаном 5 стрічкового транспортера /, який переміщує сипкий матеріал 4 (наприклад, цукор, зерно та ін.) з бункера 3. Всередині основного барабана розміщено електромагніт 6, який використовує постійний струм. Стрічка транспортера обгинає цей барабан, і металеві частинки затримуються на ній у зоні магнітного поля. Продукт (цукор, зерно), який не має магнітних властивостей 7, відокремлюється від поверхні стрічки і зсипається до збірника 8. Металеві частинки 9, які затримуються на стрічці в зоні впливу магніта, після виходу з неї знімаються з нижньої гілки стрічки скребком 2 і падають до бункера 10.

Крім електромагнітних сепараторів, використовуються й сепаратори з постійними магнітами. Проте з часом підйомна сила постійних магнітів слабшає, тому більш надійними в роботі є електромагнітні сепаратори.

Останнім часом розроблено метод електрокласифікації сипких матеріалів. Сипкі матеріали в електричному полі високої напруги можна класифікувати (сортувати) за формою частинок, їх розмірами, густиною сортованого матеріалу, різницею діелектричної проникності тощо.

Питання для самоперевірки

1. Назвіть відомі вам способи сортування зерна?

2. Які сита використовують у харчовій промисловості?

3. Як оцінити ефективність просіювання?

4. Поясніть принцип роботи трієра.

5. Як відокремлюють металеві домішки?

6. У яких випадках застосовують гідравлічне сортування?

7. Як визначається якість змішування сипких матеріалів?

8. Як визначається межова частота обертання барабана бурата?

9. Принцип дії повітряних сепараторів.

10. Що таке ідеальна та реальна суміш?

11. Наведіть схему шнекового змішувача.

12. Обов'язкова умова просіювання на ситах.

Використана література.

10. Процеси і апарати харчових виробництв / За редакціє А.М. Поперечного. - К.: Центр учбової літератури, 2007, - 301 с.

11. Стабников В.Н., Баранцев В.И. Процессы и аппараты пищевых производств. - М.:Пищ.пром-сть, 1984, -349 с.

12. Кавецкий Г.Д., Королев А.В. Процессы и аппараты пищевых производств. – М.: Агропромиздат, 1999, - 430 с