CC BY
31
ЕР
ГЛАВНАЯ ТЕМА / Повышение энергоэффективности производства
Энергосберегающий
процесс тонкого измельчения
О.В. Соловьёв, ГНУ ВНИИМП им. В.М. Горбатова Россельхозакадемии
В своем докладе на XII Международной конференции памяти В.М.Горбатова в Москве доктор Г. Хаммер (институт Макса Рубнера) привел результаты исследований. Результаты показывают, что в 65-литровом куттере с частотой вращения ножевого вала 3000 оборотов в минуту с установленными попарно на валу шестью ножами ни вторая, ни третья ножевые плоскости не участвуют в измельчении фарша, а вращаются вхолостую.
Ключевые слова: куттер, режущая плоскость, скорость резанья, угол атаки.
Действительно, из видеоматериалов замедленной съемки видно, как при вхождении в сырье, находящееся в чаше, первый нож, действуя подобно клину, отодвигает в сторону сегментный слой фарша. В результате этого от первого ножа между отрезанным сегментом фарша и остальной массой появляется след, в котором несколько мгновений образовывается пустота.
Ножи первой режущей плоскости установлены по отношению ко второй и третьей с опережением на 60°. Следовательно, третий и пятый ножи при прохождении чаши попадают в пустоту следа от первого ножа, а четвертый и шестой — попадают в пустоту следа от второго ножа. Таким образом чаша куттера успевает подать сырье только к ножам первой режущей плоскости и не успевает подавать к ножам второй и третьей плоскостей. Отсюда напрашивается вывод: чтобы повысить эффективность процесса резания в данной конструкции куттера, необходимо либо увеличивать частоту вращения чаши, либо уменьшать частоту вращения ножей или то и другое одновременно.
По причине, указанной выше, можно предположить, что если ножи второй третьей режущей плоскости проходят чашу в пустоте, то трение между сырьем и боковыми поверхностями этих ножей отсутствует. Остаются первые два ножа, которые могут нагревать фарш от трения.
Из наблюдения высокоскоростной съемки видно, что и у них при погружении в сырье, также не происходит трения по боковым поверхностям, из-за того, что фарш не успевает схлопываться, происходит только динамическое (ударное) воздействие на фарш режущей кромкой ножа в первоначальный момент погружения. Это рассуждение справедливо для любых конструкций ножевых головок.
Чем выше скорость резания, тем сильнее динамический удар острия ножа о поверхность фарша. Бомбардируя фарш ножами с высокой частотой вращения, кинетическая энергия удара, передается фаршу, при этом выделяется большое количество тепла, которое и нагревает фарш.
Таким образом, нагревание фарша в процессе куттерования происходит не за счет трения сырья о боковые поверхности ножей, а за счет кинетической энергии удара.
Чем выше частота вращения ножей, тем больше прикладывается кинетической энергии и быстрее нагревается измельчаемый фарш. По этой же причине отверстия, выполненные в корпусе ножа (перфорация), также не имеют никакого отношения к трению, они лишь уменьшают его массу и несколько снижают кинетическую энергию удара.
Однако самым большим недостатком современных куттеров является то, что процесс измельчения носит прерывистый (циклический) характер, потому что ножи поочередно погружаются в чашу, заполненную сырьем.
В сечении чаша представляет собой сегмент окружности вращения ножей. Угол этого сегмента или угол зоны измельчения относительно оси вращения ножей составляет примерно 110-120° или чуть больше, при этом оставшиеся 240° окружности ножи проходят вхолостую.
В среднем установленная мощность отечественного и импортного 500-литрового куттера составляет 205 кВт.
Каждая операция по измельчению мясного сырья происходит с колоссальными энергетическими затратами, которые дополнительным бременем ложатся на себестоимость готовой продукции
Специалисты ВНИИМП им. В.М.Горбатова предлагают запатентованное оригинальное техническое решение по усовершенствованию процесса тонкого измельчения в куттере, которое позволяет без потери качества и производительности, снизить частоту вращения ножей, упростить конструкцию кут-тера, уменьшить его мощность и металлоемкость, при этом технология его изготовления почти не меняется.
Процесс тонкого измельчения в современных куттерах протекает неопределенно, несмотря на наличие сложнейшей автоматики, готовность фарша все равно определяет опытный специалист (фарше-составитель).
Повышение энергоэффективности производства / ГЛАВНАЯ ТЕМА
ЁР
Рис.1. Схематический разрез куттера, у которого режущие кромки ножей развёрнуты на угол а относительно плоскости их вращения: 1- чаша; 2-режущий нож; 3-ножевая головка; 4-плоскость вращения ножей; 5-кожух; 6-внутренняя боковая поверхность круговой зоны вращения ножей; 7-режущая кромка ножа.
На начальном этапе куттерования, когда сырье в чаше находится в относительно неподвижном положении, режущие кромки ножей имеют нулевой угол атаки по отношению к плоскости вращения а = 0, измельчение начинается более или менее эффективно. У современных куттеров нулевой угол атаки режущих кромок сохраняется на протяжении всего процесса измельчения.
Уже после нескольких оборотов ножей начинает формироваться связанный вязкий фарш [Г.Хаммер], а затем, когда появляются признаки эмульгирования, эффективность резания резко падает. Частички фарша приобретают подвижность и с повышением степени измельчения начинают все больше ускользать от острия ножа.
Приходится увеличивать частоту вращения ножей либо длительность процесса измельчения.
Мы знаем: и то, и другое приводит к известным нежелательным последствиям.
Чтобы избежать этого, одновременно повысить степень измельчения и уменьшить частоту вращения ножей до 1500-2000 об/мин необходимо устанавливать ножи в головке так, чтобы их режущие кромки находились под некоторым углом атаки а к плоскости их вращения.
Серьезные конструктивные изменения могут коснутся только ножевой головки и выразятся в следующем. Куттерные ножи 2 устанавливают в ножевую головку таким образом, что либо они сами либо их режущие кромки 7 должны поворачиваться относительно плоскости вращения 4 на угол атаки а (см. рис.1, вид по стрелке А).
При этом внутренняя поверхность кожуха, закрывающего вращающиеся ножи, должна быть выполнена, как продолжение внутренней сегментной поверхности чаши.
При появлении признаков эмульгирования, по команде или каким-либо иным управляющим воздействием поворачивают режущие кромки 7 ножей 2 на угол атаки равный примерно 1-3 градуса. Чем выше эмульгированность продукта, тем больше угол атаки. Во время вращения ножи 2, погружаясь в чашу 1, продолжая процесс измельчения, одновременно захватывают при помощи угла атаки а из чаши 1 сырье, перенося его на внутреннюю поверхность кожуха 5 (см. рис.1.).
Под действием центробежной силы, сырье перемещается вдоль боковой поверхности ножа и прижимается к внутренней поверхности кожуха 5, становясь относительно неподвижным по отношению к режущим кромкам 7 ножей 2.
Процесс резания, начавшийся в чаше 1, продолжается на внутренней поверхности кожуха 5, образуя круговую зону измельчения 6.
Траектория резания не ограничивается стенками чаши 1, а продолжается по внутренней боковой поверхности и чаши 1 и кожуха 5, превращая периодический процесс резания в непрерывный.
Увеличенная траектория резания, благодаря углу атаки а, способствует более длительному взаимодействию частиц сырья с режущей кромкой 7, а значит - более быстрому достижению заданной степени измельчения продукта.
При этом траектория резания представляет собой не отдельный отрезок линии, а непрерывный след шириной b = l • sin а, где b - проекция режущей кромки 7 на внутреннюю боковую поверхность круговой зоны 6; l - длина режущей кромки 7; а - угол атаки режущей кромки 7.
Резание частичек под углом а, носит не ударный, а скользящий характер со смещением сырья вдоль режущей кромки 7 [А. И. Пелеев], способствуя разрезанию не только мышечной ткани, но и мельчайших частичек соединительной ткани.
Такое резание позволяет существенно снизить частоту вращения ножей, обеспечить высокую степень измельчения и не допускает сваливания частичек с острия ножа в эмульгированной среде.
№ 3 июнь 2011 ВСё О МЯСЕ
7
fiP
ГЛАВНАЯ ТЕМА / Повышение энергоэффективности производства
Рис. 3.
Рис. 2. Общий вид ножевой головки куттера; рис. 3. Поперечное сечение головки А-А.
Ножевая головка куттера включает цилиндрический корпус, состоящий из двух полуцилиндров 1 и 2, привод 3 с ведущей шестерней 4, в плоскости разъема полуцилиндров 1 и 2 выполнены сферические гнезда 5 под углом 120°, в которых размещены сферические головки 6 валов 7 с ведомыми шестернями 8, в прорезях 9 головок 6 закреплены ножи 10, центрирующий опорный палец 11 и ножевой вал12.
Угол атаки а можно увеличивать в зависимости от густоты обрабатываемого сырья в пределах от -15° до +15°. При куттеровании густой консистенции сырья устанавливают положительный угол атаки не более 15°. Дальнейшее увеличение угла атаки а приводит к увеличению зазоров между ножами 2 и стенками чаши 1, через которые происходит перетекание необработанного сырья в зону прошедшего обработку фарша. Это снижает эффективность измельчения и увеличивает продолжительность процесса куттерования.
При жидких консистенциях с относительно большой текучестью, угол атаки а устанавливают отрицательным, что позволяет замедлить течение фарша перед режущей кромкой 7, повышая тем самым, эффективность измельчения не только мышечной, но и частичек соединительной ткани.
Увеличение абсолютного значения отрицательного угла атаки а более 15° приводит также к аналогичному увеличению зазоров между ножами 2 и стенками чаши 1, утечкам сырья, снижению эффективности измельчения и увеличению длительности процесса.
Вращаясь, ножи 2, воздействуют на частичку сырья по нормали N (см. фиг.1, вид по стрелке А), которая раскладывается на радиальное усилие Т и осевое усилие Р.
Радиальное усилие Т перемещает частичку от оси вращения вала 3 на периферию ножей 2, к режущим кромкам 7 и прижимает ее к внутренней боковой поверхности круговой зоны 6, где происходит измель-
чение. Осевое усилие Р придает частичке дополнительный импульс движения вдоль внутренней боковой поверхности круговой зоны 6 (параллельно оси вращения ножей 2) и с ускорением выносит ее за пределы этой зоны, способствуя сокращению продолжительности процесса куттерования (эффект гребного винта).
Таким образом, на протяжении 360° внутренняя поверхность круговой зоны 6 становится активной зоной измельчения, полностью исключается холостой пробег ножей, что минимум в три раза ускоряет процесс куттерования.
Появляется возможность автоматически регулировать угол атаки а в зависимости от состояния измельчаемого продукта. Весь процесс измельчения будет происходить по установленной в компьютере программе, и отслеживаться системой автоматики, контроля и функциональных связей, при этом пропадает зависимость исходного результата от интуитивных способностей фаршесоставителя.
Контакты:
Олег Васильевич Соловьев, Тел.: +7(495) 676-67-51
Литература
1. Пелеев А.И. Технологическое оборудование мясной промышленности. - М.:Пищевая промышленность, 1971. - 305312 с.
