Оборудование пищевых производств

1. Классификация оборудования пищевых производств и требования к нему

Все технологические машины и аппараты можно классифицировать по виду процессов, происходящих в сырье, полуфабрикатах и готовых изделиях в ходе технологической обработки. В этом случае технологические машины и аппараты могут быть объединены в следующие группы:

технологические машины и аппараты для выполнения гидромеханических процессов (оборудование для осаждения, фильтрования, псевдосжижения, перемешивания, мойки, очистки, разделки, протирки);

технологические машины и аппараты для выполнения теплообменных и массообменных процессов (оборудование для тепловой обработки, экстракции, сушки и выпечки);

технологические машины и аппараты для выполнения механических процессов (оборудование для измельчения, взвешивания, дозирования, прессования, просеивания, калибрования, формования, упаковывания).

Требования, предъявляемые к аппаратам

Целесообразно построенный аппарат должен удовлетворять эксплуатационным, конструктивным, эстетическим, экономическим требованиям и требованиям техники безопасности.

Эксплуатационные требования

Соответствие аппарата целевому назначению. Целевое назначение аппарата заключается в создании условий, оптимальных для проведении процесса. Эти условия определяются типом процесса, агрегатным состоянием обрабатываемых масс, их химическим составом и физическими свойствами (вязкость, упругость, пластичность и т. п.). Аппарату должна быть придана форма, которая обеспечила бы необходимые технологические условия протекания процесса (давление, при котором проходит процесс; скорость движения и степень турбулизации потока обрабатываемых масс; создание необходимого контакта фаз; механические, тепловые, электрические и магнитные воздействия). Рассмотрим элементарный пример. Требуется подогреть и перемешать вязкий раствор, содержащий взвешенные частицы термонеустойчивого вещества (например, раствор сахара, содержащий кристаллы сахаря). Для этой цели могут быть применены два аппарата. В аппарате, изображенном на рис. 1, неизбежно осаждение частиц твердого вещества на дне и в углах. В этих местах будет происходить пригорание и разрушение продукта. Следовательно, форма этого аппарата, но создает необходимых для протекания процесса условий. В большей степени удовлетворяет целевому назначению аппарат, изображенный на рис. 2. Аппарат имеет сферическое днище, сопряженное г цилиндрическим корпусом, и мешалку якорного типа. Все эго предотвращает образование осадка и пригорание его на стенках днища. Из приведенного примера видно, что, для того чтобы сконструировать аппарат, необходимо знать и учитывать свойства обрабатываемой системы. Пренебрежение технологическими требованиями ведет к порче продукта.

Высокая интенсивность работы аппарата. Одной из основный характеристик аппарата является его производительность-количества сырья, перерабатываемого в аппаратах за единицу времени, или количество готового продукта, выдаваемого аппаратом за единицу времени. При выработке штучных изделий производительность выражается количеством штук изделии за единицу времени. При выработке массовой продукция производительность выражается в массовых или объемных единицах за единицу времени. Интенсивность работы аппарата — это его производительность, отнесенная к какой-либо основной единице, характеризующей данный аппарат. Так, интенсивность работы сушилки выражается количеством удаленной из материала за 1 ч воды, отнесенным к 1 м³ объема сушилки; интенсивность работы выпарных аппаратов — количеством выпариваемой за 1 ч воды, отнесенным к 1 м² поверхности нагрева.

Очевидно, что для достижении большой производительности при малых габаритных размерах аппаратов интенсификация процесса является основной задачей производства. Пути, которыми она достигается, различны для разных типов аппаратов. Однако можно установить некоторые общие методы повышения интенсивности работы аппаратов, не зависящие от их устройства.

Интенсификация может быть достигнута, например, путем замени периодических процессов непрерывными: при этом ликвидируются затраты времени на вспомогательные операции, становится возможной автоматизация управления. В ряде случаев интенсивность работы аппарата может быть повышена увеличением скоростей движения его рабочих органов.

Устойчивость материала аппарата против коррозии. Материал, из которого построен аппарат, должен быть устойчивым при воздействии на него обрабатываемых сред, В свою очередь, продукты взаимодействия среды и материала не должны обладать вредными свойствами в том случае, если продукт используется для питания.

Малый расход энергии. Энергоемкость аппарата характеризуется расходом энергии на единицу перерабатываемого сырья или выпускаемой продукции. При прочих равных условиях аппарат считается тем совершеннее, чем меньше энергии расходуется на единицу сырья или продукции.

Доступность для осмотра, чистки и ремонта. Для правильной эксплуатации аппарата его подвергают систематическим осмотрам, чистке и текущему ремонту. Конструкция аппарата должна обеспечивать возможность производить эти операции без длительных остановок.

Надежность. Надежность аппарата и машины — способность выполнять заданные функции, сохранить свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени.

Надежность аппарата обусловливается его безотказностью, ремонтопригодностью, долговечностью. Надежность и долговечность — показатели, имеющие большое значение и определяющие целесообразность устройства аппарата.

Требования техники безопасности. Эргономика

На социалистических предприятиях к аппаратам предъявляются требования безопасности к удобства обслуживания. Аппарат должен быть рассчитан и сооружен с надлежащим запасом прочности, снабжен оградительными устройствами для движущихся частей, предохранительными клапанами, автоматическими выключателями и другими приспособлениями для предотвращения взрывов и аварий. Операции по загрузке сырья и выгрузке готовой продукции должны быть удобны и безопасны для рабочего персонала. Это обеспечивается целесообразной конструкцией люков и вентилей. Наиболее безопасны герметически закрытые аппараты непрерывного действия с непрерывным потоком материалов.

Для удобства обслуживания управление аппаратом должна производиться из одного пункта, где установлен пульт управления. Это особенно легко осуществить, если организованы дистанционный контроль и дистанционное управление аппаратом. Высшей формой является полная автоматизация контроля и управления. Управление аппаратом не должно требовать значительной затраты физического труда.

Большие неудобства в обслуживании и опасность для рабочих дает применение ременной передачи для приводя аппарата. С этой точки зрения следует предпочитать индивидуальный электропривод.

В условиях технической революции большое значение получила эргономика — наука о приспособлении условии труда к человеку. Эргономика рассматривает практические вопросы, возникающие при организации работы человека, с одной стороны, и механизмом и элементов материальной среды — с другой,

В современных условиях, когда человек, управляющий процессом, имеет дело с быстропротекающими интенсивными процессами, возникает насущная потребность приспособления их к. физиологическим и психологическим возможностям человека дли обеспечения условий наиболее эффективной работы, которая не создает угрозы здоровью человека и выполняется им при меньшей затрате сил. При построении аппаратов требования эргономики заключаются в том, чтобы трудовой процесс аппаратчика был приспособлен к его физическим и психическим возможностям. Это должно обеспечить максимальную эффективность труда и устранить возможную угрозу для здоровья.

Еще одно важное требование, специфическое для аппаратов пищевых производств, вытекает из назначении продукции пищевых предприятий. На пищевых производствах должны быть обеспечены высокие санитарно-гигиенические условия, предотвращающие возможность инфицирования продукции или загрязнения ее продуктами воздействия среды и материала, из которого построек аппарат. Это обеспечивается герметичностью аппаратов, конструктивными формами, позволяющими производить тщательную очистку, автоматизацией, дающей возможность вести процесс без прикосновения человеческих рук, подбором соответствующего материала для построения аппарата.

Конструктивные и эстетические требования

К эти и группе относятся требования, связанные с проектированием, транспортированием и установкой аппарата. Основные из них следующие: стандартность и заменяемость деталей аппарата; наименьшая трудоемкость при сборке; удобство транспортирования, разборки и ремонта; минимальная масса как всего аппарата, так и его отдельных частей.

Рассмотрим требования, предъявляемые к массе аппарата. Уменьшение массы аппарата снижает его стоимость. Оно может быть достигнуто за счет устранения излишних запасов прочности, а также при изменении формы аппарата. Так, при конструировании аппаратов цилиндрической формы, если представляется возможность, следует выбирать такое отношение высоты к диаметру, при котором отношение площади поверхности к объему будет минимальным. Известно, что площадь поверхности цилиндрических сосудов с плоскими крышками минимальна при Н/Д = 2. При таком отношении минимальна и масса металла, расходуемого на построение цилиндрического аппарата. Расход металла может быть уменьшен также при замене плоских крышек выпуклыми. Во многих случаях к значительному уменьшению массы аппарата приводит переход от клепаных конструкций к сварным, рационализация устройства отдельных узлов, применение металлов повышенной прочности и пластических материалов (текстолита, винипласта и др.).

При проектировании аппаратов необходимо также обращать внимание на технологичность оборудования. Технологичной (с точки зрения машиностроения) называют такую конструкцию, которая может быть изготовлена с наименьшими затратами времени и труда.

Аппарат должен иметь по возможности приятную для взгляда форму и окраску.

Экономические требования

Понятие об оптимизации при проектировании. Экономические требования, предъявляемые к аппаратам, могут быть разделены на две категории: требования к проектированию и сооружению аппаратов и требования к построенной машине, находящейся в эксплуатации.

С точки зрения этих требований стоимость проектирования, сооружении и эксплуатации машины должна быть возможно более низкой.

Аппараты, удовлетворяющие эксплуатационным и конструктивным требованиям, неизбежно отвечают также и экономическим требованиям. При внедрении новой техники и более современных аппаратов может случиться, что более современный аппарат окажется более дорогим. Однако в этом случае, как правили, стоимость эксплуатации аппаратов уменьшается, а качество продукции улучшается, и, таким образом, внедрение нового аппарата становится целесообразным. Более подробно экономические требования рассматриваются в курсах организации производства и экономики промышленности.

При проектировании аппарата необходимо стремиться к тому, чтобы процесс, протекающий в нем, осуществлялся в оптимальном варианте. Задача оптимизации заключается к той, чтобы выбрать такой вариант, при котором величина, характеризующая работу аппарата (критерий оптимальности), имела оптимальное значение. В качестве критерия оптимальности чаще всего выбирают стоимость продукции. В таком случае перед проектировщиком ставится задача — спроектировать аппарат с такими данными, которые обеспечат минимальную себестоимость продукции.

Главнейшим этапом оптимизации являются выбор критерия оптимизации и составление математической модели аппарата. Пользуясь этой моделью, при помощи электронных вычислительных машин находят оптимальный вариант решения [2, с. 45−50].

полирование шлифование пищевой

2. Механические процессы

Шлифование

Шлифование и полирование применяется при переработке проса, овса и кукурузы (шлифование), риса, гороха, ячменя и пшеницы (шлифование и полирование).

При шлифовании с поверхности шелушенного зерна удаляют плодовые и семенные оболочки, частично алейроновый слой и зародыш.

Шлифование улучшает внешний вид, сохраняемость и кулинарные свойства крепы. Однако шлифование снижает биологическую ценность крупы, так как с клетчаткой и пентозанами удаляется значительная часть витаминов, полноценных белков, минеральных веществ, находящихся в зародыше, алейроновом слое и наружных частях мучнистого ядра [3, с. 68−69].

Оборудование для шлифования зерна и крупы

Вальцедековый станок СВУ-2 (рис.) предназначен для шелушения гречихи и проса. Имеет одну деку. Зерно шелушится между абразивным барабаном и неподвижной абразивной или резиновой декой.

Вальцедековый станок СВУ-2

Из приемного бункера 7 посредством питающего валка 2 и шарнирной заслонки 3 зерно, распределяясь по длине вращающегося барабана 4 и деки 5, попадает в рабочую зону 6. Основа барабана — цилиндр из листовой стали с угольниками 7, расположенными по образующим. Для регулирования размера и формы рабочей зоны служит механизм, состоящий из декодержателя 8 и подвижной части 9 суппорта, которые посредством гайки 10 и винта 77 могут перемещаться по суппорту 12. Поворачивая винт посредством штурвала 14, можно изменять размер и форму рабочей зоны станка. Это необходимо, например, для шелушения гречихи, когда требуется придать рабочей зоне серповидную форму.

В нижней части декодержателя установлены с обеих сторон штыри 18, соединенные с винтовой тягой 19. Поворачивая маховик 20, можно изменять положение деки и придавать рабочей зоне клиновидную форму — оптимальную для шелушения проса. Продукты шелушения удаляются из машины через патрубок 17. Машина приводится в движение от электродвигателя 15 через клиноременную передачу 16. Для того чтобы снять деку, суппорт 12 вместе с декой поворачивают на соответствующий угол вокруг оси 13. Достаточно высоких технологических показателей достигают, применяя для шелушения гречихи песчаниковые барабан и деку, а для шелушения проса — абразивный барабан и эластичную деку из специальных резинотканевых пластин марки РТД.

Для шелушения гречихи необходимо через 24…36 ч насекать песчаниковый барабан и деку бороздками глубиной 1,0…1,2 мм с наклоном 4…5° к образующей. Число бороздок принимают 4…6 на 1 см окружности барабана в зависимости от крупности обрабатываемых зерен. При шелушении проса нужно каждые 3…4 дня восстанавливать шероховатую поверхность абразивного барабана и притирать к валку прорезиненную деку.

Рабочая поверхность барабана при обработке: гречихи — песчаниковая, проса — абразивная. Рабочая поверхность деки при обработке: гречихи — песчаниковая, проса — резиновая. Форма рабочей зоны станка при шелушении: гречихи — серповидная, проса — клиновидная.

Шелушильно-шлифовальная машина A1-ЗШН-З (рис. 4) предназначена для шелушения ржи и пшеницы при обойных помолах и ржаных сортовых помолах на мукомольных заводах, шлифования и полирования ячменя при выработке перловой крупы, шелушения ячменя на комбикормовых заводах. Ситовой цилиндр 4 машины установлен в корпусе 5 рабочей камеры, вал 3 с абразивными кругами 6 вращается в двух подшипниковых опорах 8 и 12. В верхней части он пустотелый и имеет шесть рядов отверстий, по восемь отверстий в каждом ряду.

Шелушильно-шлифовальная машина Al-ЗШН-З На машине установлены приемный 7 и выпускной 1 патрубки. Последний снабжен устройством для регулирования продолжительности обработки продукта. Отводящий трубопровод крепят к фланцу патрубка, установленного в зоне кольцевого канала (для вывода мучки) корпуса 2. Привод машины осуществляется от электродвигателя 9 через клиноременную передачу 11. Корпус 5 рабочей камеры присоединен к корпусу 2, который в свою очередь устанавливается на станине 10.

Зерно, подлежащее обработке, через приемный патрубок поступает в пространство между вращающимися абразивными кругами и неподвижным перфорированным цилиндром. Здесь благодаря интенсивному трению при продвижении зерна к выпускному патрубку происходит отделение оболочек, основная масса которых через отверстия перфорированного цилиндра и далее через кольцевую камеру удаляется из машины.

С помощью клапанного устройства, размещенного в выпускном патрубке, регулируют не только количество выпускаемого из машины продукта, но и одновременно время его обработки, производительность машины и технологическую эффективность процесса шелушения, шлифования и полирования. Воздух засасывается через пустотелый вал и имеющиеся в нем отверстия, проходит через слой обрабатываемого продукта. Вместе с оболочками и легкими примесями через ситовой цилиндр он поступает в кольцевую камеру и далее в аспирационную систему.

Одна из наиболее часто встречающихся неисправностей — повышенная вибрация машины, которая происходит из-за износа абразивных кругов. Большой износ кругов приводит также и к уменьшению интенсивности обработки. Поэтому за состоянием кругов необходимо тщательно следить и своевременно заменять их. При замене перфорированного цилиндра необходимо освободить от крепления только одну крышку, снять ее, а затем через образовавшуюся кольцевую щель вынуть цилиндр.

Шелушильно-шлифовальные машины Al-ЗШН-З выпускают в четырех исполнениях с абразивными кругами для различных размеров зерен (от 80 до 120).

Шлифовальная машина А1-БШМ — 2,5 (рис. 5) предназначена для шлифования риса-крупы.

Шлифовальная машина А1-БШМ — 2,5

Шлифованию подвергается шелушеный рис с содержанием нешелушеных зерен не более 2%. Шлифовальная машина состоит из двух шлифовальных секций 15 и 19, смонтированных в корпусе, и рамы 4. Каждая шлифовальная секция имеет питатель 18, приемный патрубок 12, откидную крышку 16, ситовой барабан 9, шлифовальный барабан 8, разгрузитель и электродвигатель 20.

Машина снаружи закрыта стенками 7 и 7. Под шлифовальными секциями 15 и 19 установлен бункер 2 для сбора и вывода мучки из машины. Привод имеет защитное ограждение 13 и дверцу 14 для технического обслуживания.

В питателе 18 установлены две заслонки, одна из которых открывает или перекрывает доступ продукта в машину, вторая 11 служит для регулирования количества подаваемого в машину продукта. Ситовой барабан 9 состоит из двух полуцилиндров. К каркасу каждого цилиндра крепят сито при помощи двух рядов гонков и винтов. Оба полуцилиндра стягивают между собой четырьмя лентами.

Шлифовальный барабан 8 набран из абразивных кругов. Со стороны поступления продукта он имеет шнековый питатель 10, а со стороны выхода — крыльчатку 5. Разгрузитель 6 представляет литой стакан с отверстием, которое перекрывается грузовым клапаном. На рычаге клапана по резьбе перемещается груз.

Рисовая крупа через питатель поступает в шлифовальную секцию и шнеком подается в рабочую зону, где, проходя между вращающимися шлифовальным и ситовым барабанами с гонками, подвергается шлифованию. Мучка при этом через сито просыпается в бункер 2 и выводится самотеком из машины. Шлифованная крупа, преодолевая усилие грузового клапана, поступает в патрубок 3 и также выводится из машины.

Настройка шлифовальной машины заключается в выборе оптимальной продолжительности обработки рисовой крупы. Для этого, как указано выше, разгрузители снабжены грузовыми клапанами, позволяющими путем изменения положения грузов на рычагах регулировать усилие подпора в рабочей зоне. Наблюдая визуально через люк разгрузочного патрубка за выходящим продуктом, а также за нагрузкой электродвигателя по показанию амперметра, подбирают требуемое усиление грузового клапана и положение нижней заслонки питателя.

3. Гидромеханические процессы

Основные закономерности фильтрования

Ввиду небольшого размера отверстий в слое осадка и фильтровальной перегородке, а также малой скорости движения жидкой фазы в них можно считать, что фильтрование протекает в ламинарной области. При этом условии скорость фильтрования в каждый данный момент прямо пропорциональна разности давлений и обратно пропорциональна вязкости жидкости фазы и общему гидравлическому сопротивлению слоя осадка и фильтровальной перегородки. В связи с тем, что в общем случае в процессе фильтрования значения разности давлений и гидравлического сопротивления слоя осадка с течением времени изменяются, то переменную скорость фильтрования w (м/сек) выражают в дифференциальной форме, а основное уравнение фильтрования имеет вид:

(1)

где V — объем фильтрата, м³; S — поверхность фильтрования, м²; - продолжительность фильтрования, сек; - разность давлений, Н/м²; - вязкость жидкой фазы суспензии, Нсек/м²; R_oc — сопротивление слоя осадка, м^-1; R_ф.п. — сопротивление фильтровальной перегородки (его можно считать приблизительно постоянным).

Величина R_ос по мере увеличения толщины слоя осадка изменяется от нуля в начале фильтрования до максимального значения в конце процесса. Для интегрирования уравнения (1) необходимо установить зависимость между R_ос и объемом полученного фильтрата. Учитывая пропорциональность объемов осадка и фильтрата, обозначим отношение объема осадка V_ос к объему фильтрата V через х₀. Тогда объем осадка V_ос = х₀v. Вместе с тем объем осадка может быть выражен как V_ос = h_ocS, где h_oc — высота слоя осадка. Следовательно:

Vx_o=h_ocS.

Отсюда толщина равномерного слоя осадка на фильтровальной перегородке составит:

(2)

а его сопротивление

(3)

где r_o — удельное сопротивление слоя осадка, м^-2.

Подставив значение R_oc из выражения (3) в уравнение (1) получим:

. (4) [5, с. 77−78].

1. Драгилев А. И., Дроздов В. С. Технологические машины и аппараты пищевых производств. — М.: Колос, 1999, — 376 с.

2. Стабников В. Н., Лысинский В. М., Попов В. Д. Процессы и аппараты пищевых производств. — М.: Агропромиздат, 1985. — 503 с.

3. Товароведение продовольственных товаров / Р. З. Григорьева. Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. — Кемерово, 2004. — 116 с.

4. Машины для шелушения и шлифования зерновых культур. http://www.znaytovar.ru/s/Mashiny_dlya_shelusheniya_i_shlifova.html

5. Процессы и аппараты пищевых производств: конспект лекций по курсу ПАПП Часть 1. Иванец В. Н., Крохалев А. А., Бакин И. А., Потапов А. Н. Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. — Кемерово, 2002. — 128 с.