ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ПИЩЕВОГО СЫРЬЯ В МОЛОТКОВОЙ ДРОБИЛКЕ С ПОМОЩЬЮ ЦИФРОВОЙ МОДЕЛИ Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

Г.В. Алексеев, д-р техн. наук, проф., e-mail: gva2003@mail.ru Е.П. Башева, канд. техн. наук, доц., e-mail: katushik7@gmail.com Д.В. Молдованов, аспирант, e-mail: moldovanov dima@mail.ru А.П. Дмитриева, магистр, e-mail: dmitrysangel@mail.ru Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (НИУ ИТМО), г. Санкт-Петербург

УДК 664.6/7

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ПИЩЕВОГО СЫРЬЯ В МОЛОТКОВОЙ ДРОБИЛКЕ С ПОМОЩЬЮ ЦИФРОВОЙ МОДЕЛИ

Известно большое количество различных способов измельчения пищевого сырья: резание, раскалывание, истирание, дробление и др. Каждый из них выбирают в зависимости от физико-механических свойств измельчаемого продукта, необходимой дисперсности получаемых на выходе фракций и производительности. Режимы измельчения часто исследуют на специальных лабораторных установках для определения наиболее оптимальных параметров отдельных узлов и деталей мельниц. В статье рассмотрены вопросы измельчения пищевого сырья, в частности ингредиентов биологически активных добавок на молотковой мельнице. Эксперименты поставлены на цифровой модели одной из таких мельниц, с возможностью виртуального управления ее работой. Полученные результаты сравнивали с данными эксперимента, проведенного на лабораторной мельнице. Расхождение полученных значений не превышало 5 %.

Ключевые слова: пищевое сырье, поверхностно-активные вещества, молотковая дробилка, измельчение.

G.V. Alekseev, Dr. Tech. sciences, prof.

E.P. Basheva, technical science, associate professor D.V. Moldovanov, graduate student A.P. Dmitrieva, master

STUDY OF GRINDING FOOD RAW MATERIALS IN HAMMER CRUSHER USING A DIGITAL MODEL

There are a large number of different ways of grinding food raw materials: cutting, splitting, abrasion, crushing and others. Each of them is chosen depending on the physicomechanical properties of the crushed product, the required dispersion of the fractions obtained at the output and productivity. The determination of grinding regimes is often examined in special laboratory installations to determine the most optimal parameters for individual components and parts of mills. The article deals with the grinding offood raw materials, in particular the ingredients of biologically active additives in a hammer mill. The experiments were put on a digital model of one of these mills, with the possibility of virtual control of its work. The results were compared with experimental data conducted in a laboratory mill. The discrepancy of the obtained values did not exceed 5%.

Key words: food raw materials, surface-active substances, hammer crusher, grinding.

Введение

Поверхностно-активные вещества (ПАВ) применяются практически во всех отраслях пищевой промышленности [ 1 -6]. При производстве ПАВ часто используют растительные ингредиенты, которые проходят стадию измельчения в молотковой дробилке. Данный процесс необходим для увеличения скорости гетерогенной реакций, протекающей при производстве ПАВ.

Как правило, перед измельчением проводят предварительные испытания мельницы для отработки:

- измельчение в молотковой дробилке заданной навески измельчаемого продукта;

- проведение ситовых анализов и определение степени измельчения материала;

- установление зависимости производительности дробилки и степени измельчения от размеров решетки;

- построение кривых распределения измельченного материала по размерам.

Цель исследования - выявление оптимальных геометрических параметров деталей дробилки для получения наилучшего измельчения высушенных пектиновых волокон и максимальной производительности процесса.

Материалы и методы исследования

Молотковая дробилка разрушает материал путем дробления ударами молотков, шар-нирно закрепленных на быстро вращающемся роторе, а также методом разрушения кусков при ударах о плиты корпуса дробилки [7-10].

Для исследования использовали дробилку, работающую от электродвигателя 9, на валу которого закреплены литые молотки 7, вращающиеся в литой рабочей камере 8, в которой происходит измельчение.

Материал из бункера 6 поступает в рабочую камеру дробилки, где в результате ударного воздействия молотков и истирания материала при движении в кольцевом вращающемся слое о стенки рабочей камеры дробилки происходит интенсивное его разрушение.

Материал находится в зоне измельчения до тех пор, пока частицы его не пройдут через сменную решетку 5, установленную в нижней части дробилки. Измельченный материал собирается в емкости 3. Изменяя размеры отверстий решетки, регулируют крупность дробленого продукта. При опорожнении емкости 3 отвинчивают пробку 1, и полученный продукт через патрубок 2 поступает в емкость для готового продукта.

Рисунок 1 - Схема молотковой дробилки

При работе дробилки через бункер 6 всасывается окружающий воздух. Он проходит через решетку в сборную емкость 3, из которой удаляется через фильтрующий рукав 4.

Увеличению эффективности работы дробилки способствуют нагрузка, влажность измельчаемого материала и прочие факторы. Когда нагрузка увеличивается, увеличивается и расход энергии, затрачиваемой на измельчение. Если увеличивается влажность, то уменьшается производительность и возрастает расход энергии.

Скорость молотков - один из важнейших факторов, который влияет на эффективную работу дробилки. При увеличении частоты ударов молотков о частицы продукта степень его измельчения также увеличивается. Если скорость молотков низкая, то эффективность работы падает и увеличивается расход энергии. Чтобы повысить эффективность работы дробилок, нужно увеличить окружные скорости [11-12].

Если уменьшить размер отверстия сита, то степень измельчения возрастет, однако производительность пойдет на спад, а расход энергии прибавит в количестве.

На измельчение влияет и масса молотков, состояние граней молотков, а также величина зазора между поверхностью сита и кромкой молотка. Пластинчатые молотки в форме прямоугольника - наиболее частый вариант использования молотков (их толщина от 1,5 до 2,5 мм). Материал для молотков - обработанная сталь.

Результаты исследования и их обсуждение

При проведении исследований на цифровой модели, выполненной моделированием в Action Flash, устанавливают сменную решетку с заданным размером отверстий d$. Порцию зерна Снач засыпают в бункер и включают электродвигатель. Открывают задвижку под бункером и одновременно включают секундомер. По окончании измельчения останавливают секундомер, выключают электродвигатель.

Рисунок 2 - Полный набор сит с размерами ячеек: dв = 3 мм; d1 = 2 мм; d2 = 1 мм;

d3 = 0,7 мм; d4 = 0,5 мм; d5 = 0 мм

Рисунок 3 - Цифровая модель процесса измельчения и сепарирования

Взвешивают измельченный материал Скон, затем проводят ситовый анализ. Сита располагают в порядке уменьшения размеров их отверстии сверху вниз.

Массу взвешенной сухой пробы помещают на верхнее наиболее грубое сито и затем его встряхивают вручную. По окончании рассева взвешивают остаток на каждом сите, включая также материал, попавший на дно сборника.

Q

1. Производительность молотковой дробилки Q (кг/с) определяют по формуле Q =

2. Средний размер частиц в смеси

й? =

I уп

Средний размер частиц

ыср 2 '

3. Степень измельчения материала вычисляется по формуле / = —.

^ср

Таблица 1

Таблица рассева на основных решетках, выводимая на печать

1

№ опыта d ячейки, мм т, с Gнач, г Окон? г вь г О2, г вэ, г О4, г в5, г

1 1 126 100 63,4 5,2 27,8 13,8 5,0 11,5

2 2 72 100 77,0 11,6 37,6 10,2 4,3 13,2

3 3 31 100 91,0 58,4 14,1 4,1 2,7 11,7

Кривые функции распределения измельченного материала по диаметрам частиц

Рисунок 4 - Распределение частиц при диаметре сита dв = 3,0 мм

Аналогичные измерения и расчеты для входной решетки другого диаметра позволяют построить следующий график:

Рисунок 5 - Распределение частиц при диаметре сита dв = 4,5 мм

Таблица 2

Расчет производительности и степени измельчения дробилки

№ опыта Размер решетки d, мм Средний размер частиц в смеси мм Производительность, р, х10-3, кг/с Степень измельчения, 1

1 0,5 5,38 0,94 1,20

2 0,7 5,57 0,85 1,24

3 1 5,58 0,82 1,26

4 2 6,09 1,41 1,29

5 3 6,44 3,20 1,35

В таблице 2 приведены данные для среднего размера частиц в смеси, производительность и степень измельчения, полученные расчетным путем после обработки результатов ситового анализа ^в = 3,0 мм).

Дополнительная обработка данных таблицы 2, представленная графически на рисунке 6, позволяет сформулировать некоторые рекомендации по оптимизации процесса измельчения в соответствии с режимами процесса и свойствами перерабатываемого продукта.

1.5

Р(Х)

1(Х)

1 -

0.5"

2 3

Х

0(Х := 0.014- 0.012 + 0.06Х

2

1(х) := 0.17 + 1.3(Х - 0.33х

2

Рисунок 6 - Зависимости производительности дробилки Q(x) и степени измельчения продукта от диаметров установленных решеток х (мм)

2

0

0

1

4

5

Очевидно, что рациональными режимами работы дробилки будут такие, в которых пересекаются построенные кривые, то есть при х= 3,63. Поскольку ближайшим значением диаметра отверстия является 4 мм, то для него находим 1=0,33 и Q=0,926.

Сравнение полученных результатов с данными измельчения на дробилке МД 5х2, (рис. 7 при частоте вращения ротора 1500 об./мин, и материале молотков сталь 65 Г) показало разницу между значением производительности и степенью измельчения примерно 5-7%.

Рисунок 7 - Общий вид молотковой дробилки МД 5х2 Выводы

Исходя из полученных данных, можно сделать вывод, что при изменении размера решетки в молотковой дробилке, степень измельчения исходного материала и производительность дробилки увеличивается.

Степень измельчения, производительность, расход энергии напрямую зависят от физико-механических характеристик продукта, скорости ротора дробилки, от материала молотков и прочих факторов.

Вместе с тем, как показал эксперимент на цифровой модели, оптимальный режим работы молотковой дробилки будет зависеть в первую очередь от диаметра отверстий установленных решеток. Правильное их соотношение позволит добиться высоких технико-экономических результатов в работе дробилки.

Библиография

1. Демидов А.Р., Чирков С.Е. Измельчающие машины ударного действия. - М.: Изд-во ЦНИИТЭИлегпищемаш, 1969. - 68 с.

2. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию / под ред. Ю.И. Дытнерского. - М.: Химия, 1991.

3. Молдованов Д.В., Титова Н.Е. Энерго- и ресурсосбережение как безальтернативные составляющие современного производства // Colloquium-journal. -2018. - Т. 1, № 8 (19). - С. 12-15.

4. АлексеевГ.В., Аксенова О.И. Использование математического моделирования для ресурсосберегающих пищевых производств // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия: Процессы и аппараты пищевых производств. - 2014. - № 3. - С. 1-10.

5. Башева Е.П., Бриденко И.И. Связь электронного контента виртуальной лабораторной работы с ее реальным аналогом // Ученые записки ИСГЗ. - 2013. - Т. 11, № 2. - С. 45-52.

6. http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=39741

7. Глебов Л.А., Демский А.Б., Веденьев В.Ф. и др. Технологическое оборудование предприятий отрасли (зерноперерабатывающие предприятия). - М.: ДеЛи принт, 2006. - 816 с.

8. Алексеев Г.В., Верболоз Е.И. Современные подходы к рациональному использованию ресурсов при первичной обработке пищевого сырья // Вестник Международной академии холода. - 2003. -№ 4. - С. 35-39.

9. Золотарева А.М., Дугарова И.К. Разработка технологии питательной смеси с использованием биологически активной добавки из семян облепихи // Вестник ВСГУТУ. - 2018. - № 4. - С. 107-115.

10. Ковриков И.Т. Технологическое оборудование предприятий по хранению, обработке и переработке зерна. - Оренбург: Изд-во ОГУ, 2009. - 250 с.

11. Алексеев Г.В., Башева Е.П., Дерканосова А.А. Возможные направления компьютерного моделирования и проектирования технологических машин и оборудования пищевых производств // Вестник Воронежского гос. ун-та инженерных технологий. -2015. - № 4 (66). - С. 22-27.

12. Калашников Г.В., Остриков А.Н. Ресурсосберегающие технологии пищевых концентратов: монография. - Воронеж: Изд-во ВГУ, 2001. - 356 с.

Bibliography

1. Demidov A.R., Chirkov S.E. Chopping the puncher. - M.: Publishing house of Createimagedata, 1969. - 68 p.

2. Basic processes and apparatus of chemical technology: manual design / ed.Yu.I. Dytnersky. - M.: Chemistry, 1991.

3. Moldovan D.V., Titova N.E. Energy - saving as the uncontested co-tavlaya modern production // Belongs among others institutions-journal. - 2018. - Vol. 1, N 8 (19). - P. 12-15.

4. Alekseev G.V., Aksenova O.I. The Use of mathematical modeling for re-susoberaden food production // Scientific journal ITMO. Series: processes and apparatus of food production. - 2014. - N 3. - P. 1-10.

5. Basheva E. P., Bedenko I. Communication of electronic content, virtual labs, with its real counterpart // Scientific notes of ISGS. - 2013. - Vol. 11, N 2. - P. 45-52.

6. http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=39741

7. GlebovL.A., DemskyA.B., Vedenev V.F. etal. Technological equipment of enterprises ofthe industry (grain processing enterprises). - M.: Delhi print, 2006. - 816 p.

8. Alekseev G.V., Verboloz E.I. Modern approaches to the rational use of resources in the primary processing of food raw materials // Bulletin of the international Academy of holo-da. - 2003. - N 4. - P. 35-39.

9. Zolotarev A.M., Dugarova I.K. Development of the technology of the nutrient mixture with the use of dietary supplements of sea buckthorn seed // Bulletin of the ESSUTM. - 2018. - N 4. - P. 107-115.

10. Kovrikov I.T. Technological equipment of enterprises for storage, processing and processing of grain. - Orenburg: Izd vo OGU, 2009. - 250 p.

11. Alekseev G.V., Basheva E.P., Derkanosova A.A. Possible directions of computer modeling and design of technological machines and equipment for food production // Bulletin of the Voronezh state University of engineering technologies. - 2015. - N 4 (66). - P. 22-27.

12. Kalashnikov G.V., Ostrikov A.N. Resource-saving technologies of food centers: monograph. - Voronezh: Voronezh state University, 2001. - 356 p.