Измельчение пищевого сырья нетрадиционными способами Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 602

Измельчение пищевого сырья нетрадиционными способами

С. А. РОМАНЧИКОВ, канд. техн. наук

Военная академия материально-технического обеспечения имени генерала армии А. В. Хрулева, Санкт-Петербург

Г. В. АЛЕКСЕЕВ, д-р техн. наук, профессор; А. Г. ЛЕУ, магистрант; Д. В. КАРПАЧЕВ, магистрант Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики

Струйный принцип дает возможность сочетать измельчение со смешением, сушкой и другими технологическими процессами. При этом работа в замкнутом цикле обеспечивает минимальное выделение пыли в окружающую среду. В настоящее время известно большое количество струйных измельчителей различных типов, отличающихся как видом энергоносителя, так и по технологическому назначению. Чаще всего струйные агрегаты классифицируют по конструктивному признаку, т. е. по типу рабочей камеры:

1) аппараты с плоской горизонтальной рабочей камерой;

2) измельчители с трубчатой вертикальной рабочей камерой;

3) струйные измельчители комбинированной конструкции;

4) измельчители с противоточной рабочей камерой. Для определения направления исследований по

совершенствованию конструкций струйных измельчителей рассмотрим наиболее характерные их типы, разрабатываемые и выпускаемые в настоящее время за рубежом и в России.

На рис. 1 схематически показано устройство струйного измельчителя с горизонтальной камерой фирмы Micronizer Со. Который состоит из рабочей камеры А и установленного под ней циклона-осадителя В [1].

t

Подлежащий измельчению материал специальным инжектором подается в зону измельчения 1 через штуцер 3. В эту же зону через сопла 2 поступает газ или пар. Сопла направлены таким образом, что струи газа внутри камеры пересекаются. Частицы материала, увлекаемые струями газа, в местах пересечения струй, соударяются с большой скоростью и измельчаются.

В конструктивном отношении мельницы с плоской размольной камерой отличаются большим многообразием. Японской фирмой Seishin Enterprise Co, Ltd выпускается горизонтальный вихревой струйный измельчитель «Single Track Jet Mill (STJ)» [2]. Типоразмерный ряд таких измельчителей включает восемь моделей производительностью 0,5—1200 кг/ч. Размер частиц получаемого продукта может составлять от нескольких микрометров до менее 1 мкм. На рис. 2 дан вид рабочей камеры этого измельчителя. Устройство и принцип работы этих измельчителей хорошо видны из рисунка и в особых пояснениях не нуждаются.

При всех очевидных преимуществах к недостаткам измельчителей с плоской размольной камерой следует отнести быстрый износ футеровки и необходимость частой ее замены.

Фирма «Эбара Сэйсакусё» (Япония) выпускает два типа струйных мельниц: «Jet Micronaizer» и «Triad Jet» [3]. Мельница «Triad Jet» (рис. 3) является одной из последних разработок, при которой главное внимание уделялось повышению эффективности поверхностного дробления. В конструкции мельницы предусмотрены две камеры, измельчение в которых происходит за счет удара материала о твердую стенку и за счет центробежных сил.

Механизм ударного измельчения связан с помолом всасываемого с помощью струйного насоса 2 и разгоня-

Рис. 1. Схема струйного измельчителя с горизонтальной рабочей камерой: 1 — камера измельчения; 2 — сопла; 3 — штуцер питания; 4 — труба для вывода тонкой фракции

Рис. 2. Схема горизонтального вихревого струйного измельчителя STJ: 1 — рабочая камера; 2 — сопла подачи сжатого газа; 3 — сопло Вентури; 4 — расходный бункер; 5 — сопло подачи исходного материала; 6 — корпус

3

Рис. 3. Схема струйной мельницы «Triad Jet» фирмы «Эбара Сэйсакусё»: 1 — материал для измельчения; 2 — струйный насос; 3 — камера вращательной сепарации; 4 — камера сортировки; 5 — камера вращательного измельчения; 6 — неподвижная стенка; 7 — сопло; 8 — диффузор; 9 — выгрузка готового продукта

43

1 6

7 6

34

A-A

Рис. 4. Помольная камера с изменяемыми параметрами: 1 — емкость; 2 — входное отверстие; 3 — эжекторный узел; 4—разгонная трубка; 5 — выходное отверстие; 6 — прижимное устройство; 7 — отводной цилиндрический патрубок; 8 — обжимной сегмент; 9 — эластичная прокладка; а — угол отвода готового продукта из помольной камеры; Ф — угол поворота обжимных сегментов.

емого в диффузоре 8 сырьевого материала 1, путем отбрасывания его на расположенную в нижней части неподвижную стенку 6.

В результате столкновений, захваченных струями частиц с совершающими внутри камеры вращательное движение во взвешенном состоянии другими частицами, происходит поверхностное измельчение.

Мелкие частицы, сопротивление которых воздушному потоку, толкающему их к центру, больше центробежной силы, подхватываются квазисвободным вихрем и уносятся в камеру вращательной сепарации 3. Частицы, движущиеся вдоль внутренней стенки камеры сортировки 4, выводятся наружу из мельницы, а более крупные из них подвергаются вместе с сырьевым материалом сначала повторному ударному, а затем повторному ударно-истирающему измельчению.

Для решения задачи, связанной с повышением эффективности (производительности) измельчения в противоточной струйной мельнице, был разработан струйный диспергатор, оснащенный принципиально

новой конструкцией помольной камеры с изменяемыми параметрами (рис. 4).

Помольная камера с изменяемыми параметрами содержит емкость 1, с противоположно направленными входными отверстиями 2 для установки эжекторных узлов 3, с закрепленными в них разгонными трубками 4, и выходные отверстия 5, расположенные диаметрально противоположно друг другу. Изменение угла отвода готового продукта из зоны измельчения ап, позволяет регулировать, в зависимости от свойств измельчаемого материала, интенсивность вылета частиц из зоны столкновения в отводящие патрубки и обеспечить такой режим работы эжекторов, при которых максимально используется энергия газового потока.

Сделана попытка повысить эффективность измельчения в струйном диспергаторе. Струйный диспергатор, используемый для измельчения, например, пищевых продуктов, оборудованный рабочей камерой с изменяемыми параметрами, позволяет организовать наименьшее аэродинамическое сопротивление потоку готового продукта, выходящего из камеры и тем самым повысить эффективность процесса измельчения.

В качестве теоретического обоснования механизма разрушения твердых тел многие исследователи помольных процессов используют известный в механике принцип минимальной энергии, по которому равновесное состояние деформированного тела соответствует минимуму потенциальной энергии системы.

Разрушение при ударе определяется скоростью движения в момент удара и происходит вследствие распространения в теле продольных и поперечных ударных волн, их отражения от свободных поверхностей и интерференции [6]. Диспергирование тела осуществляется в основном за счет возникновения поперечных растягивающих напряжений, создающих предельные нагрузки, и местной концентрации напряжений. В результате образуется трещина, размеры которой с течением времени увеличиваются (рис. 5).

Эффективность удара пропорциональна скорости частицы, наносящей удар, поэтому из дифференциального уравнения движения частицы можно записать:

m (dU/dt) = ст F = р F Uc0,

(1)

где ст — напряжение, возникающее в теле частицы, Па; т — масса частицы материала, кг; и — скорость частицы материала в точке удара, м/с; р — плотность частицы материала, кг/м3; F — площадь сечения частицы материала, м2; с0 — скорость звука в материале, м/с.

Из общих выражений механики твердого тела следует, что величина напряжения, возникающего внутри частицы материала, будет описываться формулой:

ст = pUc0 exp(p F c0 t/m).

(2)

Следовательно, волна напряжения, распространяющаяся внутри тела, имеет ударный фронт со скачком, равным рЦс0, убывающим по экспоненте. Ударная волна, достигая поверхностей частицы, отражается от них с переменой знака, при этом ударный импульс многократно пробегает частицу. Импульс сжатия отражается от повер-

A

Рис. 5. Схема разрушения частицы материала при воздействии ударного импульса

Рис. 6. Схема удара частицы материала о стенку камеры помола

Рис. 7. Схема механизма разрушения частиц материала при тонком измельчении

хности частицы, которая противоположна точке удара, и преобразуется в импульс растяжения. Отраженные от боковых поверхностей импульсы приводят к образованию трещин, параллельных этим поверхностям. Немедленно после возникновения трещины, часть импульса отражается от нее, что при достаточной энергии импульса приводит к образованию новой трещины и т. д.

В качестве одного из факторов, влияющих на условия разгона частиц до скоростей, обеспечивающих максимальные напряженные состояния частиц при столкновениях, можно рассматривать концентрацию материала.

Одновременно рассмотрим механизм удара частицы материала, движущейся в газовом потоке, о стенку рабочей камеры (рис. 6).

Процесс измельчения сопровождается уменьшением массы отдельных частиц за счет уменьшения их объема. С уменьшением размера частиц должны изменяться условия их силового нагружения, и разрушение будет происходить в основном не за счет сжатия или удара, а за счет трения. Трение — сложный вид взаимодействия и в отличие от удара его нельзя описать законами физики. Затем происходит отшелушивание трещиноватого слоя, после чего процесс повторяется. Тонкое измельчение характеризуется многократным повторением описанного цикла.

Процесс разрушения частицы можно представить следующим образом (рис. 7).

Исследования показали, что твердые частицы могут разрушаться не только за счет взаимных соударений в газовом потоке, но и в результате действия на них сил

потока. При этом измельчение обусловливается напряжениями сжатия и сдвига.

Движение массы твердых полидисперсных частиц в газовом потоке в отличии от движения одиночной частицы усложняет вихревую структуру потока. Газовый поток, содержащий твердые частицы в определенной концентрации, характеризуется наличием относительных движений частиц, накладывающихся на движения турбулентных потоков. В подобных условиях возникают силы аэродинамического взаимодействия между газом и твердым телом, а также между частичками твердого материала. Величина и характер этого взаимодействия зависят от физико-механических свойств материала, дисперсности и концентрации твердых частиц, режима движения потока [7].

Неправильная форма частиц и смещение центра масс вызывает вращение частиц материала, при этом механизм взаимодействия твердой и газовой фаз в движущихся пылегазовых потоках позволяет разрушаться частицам материала не только при центральном ударе, но и силами трения при вращении или при нецентральных ударах частиц. При этом благоприятные условия для истирающего разрушения создаются при соударении встречных струй, когда частицы измельчаемого материала вовлекаются в интенсивное колебательное движение.

Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод о том, что метод струйного измельчения осуществляется в процессе физико-механического взаимодействия частиц измельчаемого материала и энергоносителя, при этом он является сложным и многофакторным. Важно найти количественные соотношения главных из рассматриваемых факторов, в качестве которых могут быть конструктивные параметры рабочей камеры, тогда можно прогнозировать результаты струйного измельчения.

Анализ большого количества конструкций позволил установить следующие основные параметры процесса и размеры рабочих элементов:

а) расход материала в разгонных трубках Ктр, кг/(ч-мм2):

Кр = 20/(п dTр ), (3)

где Q — производительность агрегата, кг/ч; dтр — диаметр разгонной трубки, мм;

б) концентрация материала в рабочей камере КП, кг/(ч-мм3):

К = 40/(п / dтP ),

где /срт — расстояние между срезами разгонных трубок, мм;

в) диаметр разгонной трубки d , мм:

(5)

если принять Ктр = 0,234 кг/(ч-мм2), тогда выражение примет вид

dтр = 1,62 {0; (6)

г) диаметр сопла, подводящего энергоноситель dс, мм: d„ = 0,435 {0; (7)

д) длина разгонной трубки Хтр, мм:

^ = 122 + 2,36 (^ - 4);

(8)

е) диаметр рабочей камеры d , мм:

d = 3 d

тр'

(9)

ж) длина рабочей камеры Хк, мм:

Хк = 2,5 dк. (10)

Следует отметить, что для расчета основных конструктивных параметров эжекторного узла противоточного

измельчителя, формулы увязаны с его производительностью и выведены на основе экспериментальных данных. При этом размер рабочей камеры является функцией диаметра разгонных трубок. Результаты проведенных исследований говорят о том, что теоретические выкладки дают не очень точные результаты для оценки параметров процесса измельчения и должны уточняться для каждой конкретной конструкции камеры.

Литература

1. Reusch, Н. Energiespared /епМпегп т Gutbett-Walzenmuh-len / Н. Reusch // Kugerllagen-Z.-S. — № 233. — Е 20-29.

2. Алексеев, Г. В. Патент РФ на полезную модель № 170192. Струйный диспергатор пищевых добавок / Г. В. Алексеев, А. Н. Пальчиков, Д. В. Карпачев, А. А. Золотарева; Университет ИТМО; № 2016144539; Заявлено 14.11.2016; Опубл.: 18.04.2017; Бюл. № 11.

3. Аксенова, О. И. Особенности подготовки кальцийсодержащих пищевых добавок для использования / О. И. Аксенова, Г. В. Алексеев, Д. В. Карпачев // Взаимодействие науки и общества: проблемы и перспективы: Сб. статей Междунар. научно-практ. конф. — Уфа: РИО МЦЦИ ОМЕГА САЙНС, 2015. — С. 28-30.

4. Алексеев, Г. В. Технология производства муки из яичной скорлупы / Г В. Алексеев, Д. В. Карпачев, Е. И. Лихонина // Энергосберегающие технологические комплексы и оборудование / под ред. В. С. Богданова. — Белгород, 2016. — С. 87-90.

5. Алексеев, Г. В. Перспективы применения кавитационного воздействия для измельчения пищевых продуктов / Г. В. Алексеев, А. В. Кондратов. — Саратов, 2013. — 138 с.

6. Алексеев, Г. В. Оценка конкурентоспособности инновационного технического решения / Г. В. Алексеев [и др.] // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия: Экономика и экологический менеджмент. — № 4. — С. 137-146.

7. Мосина, Н.А. Абразивная обработка картофеля и овощей с дискретным энергоподводом / Н. А. Мосина,. Г. В. Алексеев. — Саратов, 2013. — 115 с.

References

1. Reusch H. Energiespared zerrleinern in Gutbett-Walzenmuh-len. Kugerllagen-Z.-S., no. 233, pp. 20—29.

2. Alekseev G. V., Pal'chikov A. N., Karpachev D. V., Zolotare-va A. A. Struinyi dispergator pishchevykh dobavok [Jet dispersant of food additives]. Patent RF No. 170192. St. Petersburg State University of Information Technologies, Mechanics and Optics; 18.04.2017.

3. Aksenova O. I., Alekseev G. V, Karpachev D. V [Features ofprep-aration of calcium-containing food additives for use]. Vzaimodeist-vie nauki i obshchestva: problemy iperspektivy: Sb. statei Mezhdunar. nauchno-prakt. konf. [The interaction of science and society: problems and perspectives: Collection of articles of Intern. scientific and practical conf.]. Ufa, 2015, pp. 28—30. (In Russ.)

4. Alekseev G. V., Karpachev D.V, Likhonina E. I. [Technology of production of egg shell flour]. Energosberegayushchie tekhnolog-icheskie kompleksy i oborudovanie [Energy-saving technological complexes and equipment]. Ed. by V S. Bogdanov Belgorod, 2016, pp. 87-90. (In Russ.)

5. Alekseev G. V, Kondratov A. V Perspektivyprimeneniya kavitatsion-nogo vozdeistviya dlya izmelcheniya pishchevykh produktov [Prospects for applying cavitation effects for grinding food products]. Saratov, 2013.

6. Alekseev G.V et al. [Evaluation ofthe competitiveness ofan innovative technical solution]. NauchnyizhurnalNIU ITMO. Seriya: Ekono-mika i ekologicheskiimenedzhment, no. 4, pp. 137-146. (In Russ.)

7. Mosina N. A., Alekseev G.V. Abrazivnaya obrabotka kartofelya i ovoshcheis diskretnym energopodvodom [Abrasive processing potatoes and vegetables with discrete energy supply]. Saratov, 2013.

Измельчение пищевого сырья нетрадиционными способами

Ключевые слова

высокоскоростной удар; минимальное загрязнение; конструкция агрегата; принцип самоизмельчения; техника измельчения.

Реферат

Проведен анализ состояния техники измельчения и конструкций агрегатов для тонкого и сверхтонкого измельчения. Сделаны выводы о том, что, несмотря на отдельные преимущества, заложенные в конструкции конкретных измельчителей, ни один из них не может удовлетворить главному требованию — минимальному загрязнению измельчаемого материала продуктами износа футе-ровок корпусов. Объектом исследований служил струйный аппарат для измельчения зерна. Для решения задачи, связанной с повышением эффективности измельчения в противоточной струй-

Grinding of Food Raw Materials in unconventional Ways

Key words

high-speed impact; minimal contamination; aggregate design; principle of self-reduction; grinding technique.

Abstract

The paper analyzes the state of the grinding technique and the designs of devices for fine and ultrafine grinding. It allows us to conclude that, none of them can satisfy the main requirement for minimal contamination of the grinded material by the wear products of the shell lining, despite the individual advantages inherent in the construction of concrete grinders. A jet machine for grinding grain was chosen as an object of the research. A process simulation based on a developed jet disperser equipped with a fundamentally new design of a working chamber with variable parameters was chosen as a method of research to solve the

ной рабочей камере, в качестве метода исследования было выбрано моделирование процесса на базе разработанного струйного диспергатора, оснащенного принципиально новой конструкцией рабочей камеры с изменяемыми параметрами. Изменение угла отвода готового продукта из зоны измельчения ап позволяло регулировать интенсивность вылета частиц из зоны столкновения в отводящие патрубки и обеспечить такой режим работы эжекторов, при которых максимально используется энергия газового потока. Решая задачу моделирования, которая в ряде случаев определяет саму возможность применения таких тонкоизмельчен-ных материалов, удалось избежать основных недостатков традиционных конструкций с помощью реализации принципа самоизмельчения. Измельчение материала самим же материалом обеспечивалось путем высокоскоростного удара. Рассмотрены механизмы работы струйных агрегатов, которые являются разновидностью ударных измельчителей. Принималось во внимание, что ударная волна, достигая поверхностей частицы, отражается от нее с переменой знака, при этом ударный импульс многократно пробегает частицу. Импульс сжатия отражается от поверхности частицы, противоположной точке удара, и преобразуется в импульс растяжения. Отраженные от боковых поверхностей импульсы приводят к образованию трещин, параллельных этим поверхностям. Немедленно после возникновения трещины, часть импульса отражается от поверхности, что при достаточной энергии импульса приводит к образованию новой трещины. Предполагалось, что в качестве одного из факторов, влияющих на условия разгона частиц до скоростей, обеспечивающих максимальные напряженные состояния частиц при столкновениях, можно рассматривать концентрацию материала. Считали, что процесс измельчения сопровождается уменьшением массы отдельных частиц за счет уменьшения их объема. С уменьшением размера частиц изменялись условия их силового нагружения, и разрушение происходило не за счет сжатия или удара, а за счет трения. Полученные результаты показали, что твердые частицы могут разрушаться не только за счет взаимных соударений в газовом потоке, но и в результате действия на них сил потока. При этом измельчение обусловливается напряжениями сжатия и сдвига. Количественный анализ позволил получить результаты в виде соотношений, описывающих взаимодействие потоков материала либо со специальными отбойными поверхностями, либо между собой. Выявлена роль разгонного аппарата, в котором струя газа-энергоносителя сообщает скорость частицам обрабатываемого материала при столкновении с камерой. В качестве энергоносителя в струйных мельницах рекомендовано применение воздуха, водяного пара или продуктов сгорания.

Авторы

Романчиков Сергей Александрович, канд. техн. наук Военная академия материально-технического обеспечения имени генерала армии А. В. Хрулева, 199034, Санкт-Петербург, наб. Макарова, д. 8, romanchkovspb@mail.ru

Алексеев Геннадий Валентинович, д-р техн. наук, профессор; Леу Анна Геннадьевна, магистрант; Карпачев Дмитрий Владимирович, магистрант Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, 197101, Санкт-Петербург, пр-т Кронверкский, д. 49, gva2003@mail.ru; anna.ieu@mail.ru; dik@intbel.ru

problem associated with increasing the efficiency of grinding in a coun-tercurrent jet working chamber. The change in the retraction angle of the finished product from the grinding zone an, made it possible to regulate, depending on the properties of the material to be crushed, the intensity of the emission of corpuscles from the collision zone, into the outlet pipes and to provide the operating mode of the ejectors, in which the energy of the gas flow is maximized. Solving the problem which determines in a number of cases the very possibility of using such fine-grained materials, it is possible to avoid this shortcoming by implementing the principle of self-reduction. Milling the material with the same material is provided by high-speed impact. High-speed self-reduction allows eliminating a number of disadvantages inherent in equipment for fine and ultrafine grinding. The mechanisms of operation of jet aggregates, which are a variety of impact shredders, are considered. It was taken into account that the shock wave, reaching the surfaces of the corpuscle, is reflected from it with a change of sign, while the shock impulse repeatedly runs through the corpuscle. The compression impulse is reflecting from the surface of the corpuscle opposite to the impact point, and converting into a tensile impulse. The impulses reflected from the lateral surfaces lead to the formation of cracks parallel to these surfaces. After the appearance of the fissure, a part of the impulse is reflecting from it, which, with sufficient impulse energy, leads to the formation of a new fissure. It was assumed that the concentration of the material can be considered as one of the factors that influence the conditions for dispersing corpuscles to velocities that ensure the maximum stress states of the corpuscles in collisions. It was considered that the process of grinding is accompanied by a decrease in the mass of individual particles due to a decrease in their volume. As the size of the corpuscles decreased, the conditions of their force loading changed, and the destruction occur due to the friction, not due to the compression or impact. The obtained results showed that the solid corpuscles can be destroyed not only by mutual collisions in the gas stream, but also as a result of the action of the flow forces on them. The grinding is caused by compressive and shearing stresses. Quantitative analysis, which was carried out by the authors, made it possible to obtain results in the form of relations between cellular bump surfaces or between themselves. The role of the accelerating apparatus in which the jet of the energy gas gives speed to the corpuscle of the material being processed when colliding with the chamber is revealed. Quantitative analysis, which was carried out by the authors, made it possible to obtain results in the form of ratio describing the interaction of material flows with either special bump surfaces or with each other. Air, water vapor or combustion products are recommended in jet mills as an energy carrier.

Authors

Romanchikov Sergey Aleksandrovich, Candidate of Technical Sciences

Military Academy of Logistics named Army General A. V. Khruleva,

8 Makarova emb., St. Petersburg, 199034, Russia,

romanchkovspb@mail.ru

Alekseev Gennady Valentinovich,

Doctor of Technical Sciences, Professor;

Leu Anna Genadievna, graduate student;

Karpachev Dmitry Vladimirovich, graduate student

St. Petersburg National Research University of Information Technology,

Mechanics and Optics,

49 Kronverksky av., St. Petersburg, 197101, Russia, gva2003@mail.ru; anna.ieu@mail.ru; dik@intbel.ru