Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 13
1.1. Механические процессы в технологических системах кондитерского производства 13
1.2. Физические основы процессов
1.2.1. Измельчение 15
1.2.2. Разделение 23
1.2.3. Перемешивание 25
1.2.4. Формование
1.3. Методы оценки эффективности "ресурсопотребления 34
1.4. Выводы и задачи исследования 40
2. Методология исследования и оценка эффективности ресурсопотребления в механических процессах 43
2.1. Основные направления снижения ресурсопотребления 43
2.2. Системный подход к оценке ресурсопотребления 46
2.3. Классификация механических процессов и основные способы их реализации 64
2.4. Расчет-эффективности ресурсопотребления в механических процессах 70
2.5. Обобщенная схема оценки эффективности ресурсопотребления в технологичекой системе 77
2.6. Выводы 78
3. Теоретическое обоснование энергозатрат механических процессов 81
3.1. Измельчение твердых и пластичных матералов 81
3.1.1. Раздавливание и истирание
3.1.2. Дробление 89
3.1.3. Резание пластинчатым ножом 94
3.1.4. Резание дисковым ножом 97
3.1.5. Резание винтовым ножом
3.2. Разделение твердых и жидких матералов 107
3.3. Перемешивание вязких материалов
3.3.1. Смешение 111
3.3.2. Пластикация ИЗ
3.4. Формование вязких и пластичных материалов 123
3.4.1. Отливка 124
3.4.1Л. Сплошные корпуса 124
3.4.1.2. Составные корпуса 127
3.4.2. Выпрессовывание 133
3.4.2.1. Шнековые нагнетатели 133
3.4.2.2. Шестеренные нагнетатели 137
3.4.3. Прокатка 144
3.5. Выводы 146
4. Ресурсосбережение при производстве шоколада 147
4.1. Операторная модель технологической системы производства шоколада с крупными добавками 147
4.2. Механические процессы и оборудование для их реализации 150
4.3. Анализ процессов и выбор направлений ресурсосбережения 151
4.4. Определение показателей ресурсосбережения при измельчении 1 4.4.1. Износ штифтов ударно-штифтовых мельниц 154
4.4.2. Расчет энергозатрат при измельчении какао крупки..158
- 4 4.4.3. Износ вальцов пятивальцовых мельниц 161
4.5. Определение показателей ресурсосбережения при разделении 165
4.6. Расчет энергозатрат при смешении темперированной шоколадной массы с добавками 173
4.7. Расчет показателей эффективности использования ресурсов 173
4.8. Выводы 178
5. Ресурсосбережение при производстве конфет 180
5.1. Операторная модель модернизированной технологической системы производства пралиновых конфет 180
5.2. Механические процессы и оборудование для их реализации 183
5.3. Анализ процессов и выбор направлений ресурсосбережения 183
5.4. Определение показателей ресурсосберегежения при пластикации 185
5.4.1. Обоснование рационального способа и конструктивной схемы установки 185
5.4.2. Исследование структурно- и физико-механических характеристик твердых жиров 1 5.4.2.1. Усилия при резании 188
5.4.2.2. Изменение структурно-механических свойств жиров при пластикации 191
5.4.2.3. Расчет энергозатрат 198
5.5. Определение ресурсосберегающих показателей и режимов при смешении 208
5.6. Расчет показателей эффективности использования ресурсов 223
5.7. Выводы 225
6. Практическое приложение результатов исследований 227
6.1. Производство шоколада с крупными добавками 227
6.2. Производство помадных конфет 232
6.3. Производство пралиновых конфет 237
Заключение 24s
Список литературы
- Разделение
- Классификация механических процессов и основные способы их реализации
- Резание дисковым ножом
- Механические процессы и оборудование для их реализации
Разделение
В вальцовых мельницах измельчение материалов осуществляется в зазоре между одной или несколькими парами вращающихся навстречу друг другу с разными окружными скоростями вальцами . В кондитерской промышленности для вальцевания шоколадных и конфетных рецептурных смесей применяют пятивальцовые, а так же восьмивальцовые мельницы [62, 63].
Частицы материала, попадая в межвальцовый зазор, измельчаются в результате их раздавливания и истирания. Эффективность измельчения зависит от соотношения окружных скоростей вальцов. Достоинством вальцевых станков является возможность регулирования степени измельчения и обеспечение достаточно однородного гранулометрического состава.
В дисковой мельнице крупная фракция раздавливается двумя вальцами, после чего измельчение происходит в зазоре между двумя, вращающимися вокруг вертикальной оси дисками. При измельчении какао бобов, к показано в работе А.И. Драгилева [326] при измельчении какао крупк влажностью 2,5 % доля частиц размером до 75 мкм составляет (90 + 94) %, влажностью 1,5 % - (96 97) %.
В роторных мельницах истирание материала осуществляется последо вательно в двух зазорах между пластинами, установленными на быстровра щающихся роторах и неподвижными рифлеными отражательными поверхностя ми. Энергоемкость при переработке обжаренных бобов какао от 110 Дж/кг.
Высокоэффективным оборудованием для тонкого измельчения являютс шариковые мельницы, в которых осуществляется многократное раздавлива ние и истирание частиц материала при взаимодействии со стальными шари нами диаметром 2 5 мм, находящимися во вращающейся емкости. Энерго емкость при измельчении обжаренной крупки какао составляет до 12 Дж/кг. Одним из наиболее эффективных способов измельчения является удар ное разрушение [5, 27, 37, 38, 50, 73, 78. 89, 140]. Для его реализ - 19 ции в пищевой промышленности используются молотковые, ножевые, ударно-центробежные и штифтовые [58, 62. 65, 182]. В молотковых дробилках [24, 29, 36, 40, 59] разрушение частиц происходит в результате их соударения с металлическими молотками, прикрепленным к вращающемуся диску, и ударов о внутреннюю поверхность кожуха. Истирание происходит при прохождении материала через сито. Исследования измельчения на молотковой дробилке, выполненные Джинихад-зе СП. [59], показали, что на измельчение ударом расходуется около 12 % энергии, а остальная на истирание и нагрев материала. В кондитерской промышленности для получения сахарной пудры применяется молотковая дробилка А2-ШИМ. Примерный фракционный состав пудры, получаемый на дробилке: доля частиц размером до 100 мкм составляют порядка 80 %, размером 100 200 - 16 %, крупнее 200 мкм - 4 %.
Для тонкого измельчения материала в виде крупки используют штифтовые мельницы. Так, измельчение какао крупки производят на дезинтеграторах и дисмембраторах. В дезинтеграторах два стальных диска, имеющих горизонтальную ось вращения, со штифтами, расположенными по концентрическим окружностям, вращаются с частотой 3000 об/мин навстречу друг другу. В дисмембраторе один диск неподвижен, а другой вращается с частотой 6000 об/мин.
Какао крупка попадает через центральное отверстие одного из дисков в рабочую зону, отбрасывается центробежными силами к штифтам и измельчается. При размоле крупка от трения и ударов нагревается, освободившееся в результате разрывов клеточной ткани какао масло плавится, в результате образуется масса полужидкой консистенции - тертое какао, содержащее до 55 % какао масла и обрывки клеточной ткани.
Одним из основных направлений работ по совершенствованию штифтовых мельниц [14, 50, 70] является повышение долговечности штифтов. Ю.Ф.Белокрылов [14], изучая работу штифтовых мельниц кондитерского производства установил, что наиболее нагруженными являются штифты пятого и шестого рядов. По мере износа их запас прочности уменьшается с 1,53 до 1,02. Там же показано, что скорость, при которой происходит разрушение крупки можно рассчитать по формуле: vv„ = бв / р- (1.4) где бв - предел прочности материала; Е - модуль упругости; р - плотность; с, - коэффициент восстановления при ударе. Уравнение справедливо при абсолютно упругом ударе. Однако, в реальных условиях необходимо учитывать упруго-пластические деформации при ударном разрушении материала.
На основании исследованиях измельчения зернового сырья [38, 39, 40, 41] Л.А.Глебов установил, что эффективность измельчения на пальцевом измельчителе зависит от количества пальцев, их расположения и частоты вращения ротора.
Исследования ударного измельчению в различных отраслях промышленности показали, что эффективность ударных воздействий обусловлена возможностью создания в материале напряжений во много раз больших, чем при статическом нагружении. Для гарантированного разрушения необходимо, чтобы окружная скорость рабочих органов соответствовала критической скорости ударного разрушения.
Классификация механических процессов и основные способы их реализации
Поэтому расчет Оценка эффективности ресурсопотребления может производится для отдельных процессов и технологической системы в целом. Методология расчета основывается на следующих принципах [162, 1673: - унификация критериев, методов и показателей экономичности про - 71 цесса и оборудования; - учет, как первое приближение, пропорциональности экономических элементов затрат соответствующим проводится не путем определения годового экономического эффекта на базе разницы в суме приведенных затрат в базисном и повом вариантах, а соотношением прогрессивных нормативов по приведенным затратам с фактическими их значениями в производстве конкретного вида продукции.
Эти условия расчета выполняются с помощью индексного метода, оперирующего безразмерными величинами. Рост эффективности производства определяется отношением обобщающих показателей эффективности нового и базового вариантов или обратным отношением удельных затрат (себестоимости или цены производимой продукции) в этих вариантах У = qH/q6 » c6kH/cHk6. (2.1) где qH, q6 - производительность нового и базового вариантов; сб, сн - себестоимость продукции нового и базового вариантов; кн, кб- показатели качества новой и базовой продукции (безразмерн). Показатель У может быть уровнем экономичности (Уэ), качества (Ук), конкурентоспособности (Укс) или технико-экономическим уровнем (У) в зависимости от принятых цели и базы оценки. Величина У обратно пропорциональна уровню удельной стоимости продукции (Ус). При У 1 новый вариант эффективнее базового, а при У 1 убыточен. В последнем случае необходим анализ причин понижения уровня и разработка мер для его повышения. Оценка уровней (У или У3) может проводится следующими индексными - 72 методами при наличии аналога: - параметрическим, основанным на расчете отношений новых и базовых значений технических и экономических параметров сопоставляемых вариантов, - стоимостным, основанным на использовании отраслевых нормативно-справочных материалов.
Для определения названных уровней эффективности ресурсопотребления наиболее целесообразно применение индексного метода, как наиболее удобного при неполной информации о затратах и при оперативной оценке техники с известной структурой затрат на работу оборудования.
Индексный метод не требует множества исходных нормативно-справочных данных, так как отношения одинаковых значений одноименных величин равны единице. Для оценки уровня эффективности этим методом базовый вариант должен обладать тем же числомом параметров затрат по основным видам используемых ресурсов, что и новый.
Для оценки и прогнозирования эффективности ресурсопотребления индексным методом предлагается безразмерная зависимость результатов экономии ресурсов от технологических параметров производства - функция эффективности, синтез которой приводится ниже.
Уровень себестоимости продукта в новом варианте (знаменатель формулы (1.20)) для основных четырех учитываемых ресурсов в развернутом виде имеет вид Ус= ECujini ДІ ) = (тА)и0да+(1/кЭрГ)итдт+м-и3Дэ+г-исдс, (2.2) технического использования нового и базового вариантов); к - уровень качества продукции при новом варианте оборудования. При эксплуатации технологического оборудования затраты на сырье и основные материалы в расчетах не должны учитываться; Однако, одной из важных особенностей пищевой технологии являются потери сырья, которые могут быть учтены в (2.3).
Для этого, подставив в уравнение (2.3) дс = 0 и введя в него коэффициент технологической эффективности кт, учитывающий степень использования материала (ким) или сырья (кис), получим формулу техни-ко-экономического уровня оборудования У0 = p-rt-k-kT/On-ivfla/t + 1-ит-дт/кэрг + \мі3-д3)). (2.4) для которой характеристическое уравнение (1.10) имеет вид Дао + Дто + Дэо = 1. (2.5) где щ- коэффициент технологической эффективности переработки сырья или коэффициент технологических потерь; Дао Да/U - Дс)! дто = дт/(1 -До); Дэо = ДЭ/и - Дс) Для определения кт через дс и кис сопоставим варианты одного процесса, отличающиеся только разной степенью использования сырья. Тогда индексы показателей результатов (р, it, к), расходов ресурсов (т, 1, t. w) и цен (ut) будут равны единице, а выражение (2.4) примет вид
Резание дисковым ножом
Качество шоколадных изделий в первую очередь зависит от размеров частиц шоколадной массы и однородности гранулометрического состава твердой фазы полуфабрикатов [221], которые формируются в измельчающем оборудовании. Молотковая дробилка для сахарной пудры эксплуатируется в течение длительного срока и в модернизации нет необходимости. Дробиль-но-сортировочная машина, как показывает опыт эксплуатации, так же обеспечивает выход какао крупки регламентированного гранулометрического состава и содержания какаовеллы при обеспечении необходимой влажности обжаренных какао бобов.
Практика показывает, что обеспечение вышеупомянутых технологических показателей полуфабрикатов во многом зависит t T эффективной работы и правильной эксплуатации ударно-штифтовых мельниц, на которых получают какао тертое. Основной проблемой при эксплуатации ударно-штифтовой мельницы является интенсивный износ штифтов, приводящий к снижению однородности гранулометрического состава какао тертого и наличию в нем ферропримесей. Вследствие периодической замены штифтов размеры отверстий для их крепления в дисках изнашиваются, тем самым уменьшается срок их эксплуатации. Это, а так же чрезмерный износ хотя бы незначительного количества штифтов может привести к их разрушению и, как следствие, выходу оборудования из строя. Следует учесть и тот факт, что ферропри-меси отделяют только после прохождения какао тертого в составе рецептурной смеси через пятивальцовую мельницу, что влияет на износ вальцов. Таким образом, повышение долговечности штифтов может обеспечить ресурсосбережение на стадии производства шоколадных полуфабрикатов.
При коншировании шоколадной массы возможно снижение доли добавля - 152 емого какао масла вследствие уменьшения среднего размера частиц при сохранении необходимой для отливки вязкости шоколадной массы. С другой стороны, возможно снижение вязкости шоколадной массы, что сказывается на энергозатратах при отливке. Таким образом, повышение долговечности штифтов может привести к снижению ресурсозатрат по всем трем направлениям. Инженерное решение возможно на основе проведения специальных исследований.
Важным звеном в технологической системе является отжим какао масла, производимый на гидропрессовых установках. Опыт эксплуатации, исследования показывают, что выход какао масла зависит от давления прессования, а так же размеров частиц и однородности гранулометрического состава твердой фазы какао тертого. Уменьшение размеров частиц, увеличение давления прессования способствует повышению выхода какао масла. Однако, повышение давления увеличивает энергозатраты. Следовательно, для обеспечения ресурсосбережения необходимо разумное сочетание технологических показателей сырья и полуфабрикатов и технических характеристик оборудования.
Образование смеси добавок и рецептурной массы осуществляется в смесителях, конструкции которых достаточно отработаны, возможности ресурсосбережения практически отсутствуют. Подготовка массы к формованию имеет большое значение для формирования качества изделий [261]. В первую очередь это зависит от того, насколько соответствуют требованиям того или иного способа формования физико-механические характеристики пищевой массы. Чем больше размеры частиц добавок и их концентрация, тем больше вязкость С259], причем до определенного предела. С другой стороны, при интенсивных режимах обработки эффективная вязкость массы при смешении уменьшается, что приводит к снижению энергозатрат [161]. Следовательно ресурсосбережение на этапе подготовки массы к формованию возможно за счет снижения расходов на сырье и электроэнергию.
В отливочном агрегате возможно снижение энергозатрат при соответствующих конструктивных изменениях, уменьшение доли потерь и возвратных отходов за счет повышения однородности смеси:
Таким образом, направления ресурсосбережения в производстве шоколада следующие [169].
В результате повышения долговечности рабочих органов ударно-штифтовой мельницы возможно: - снижение затрат на содержание ударно-штифтовых и пятивальцовых мельниц; - повышение выхода какао масла при прессовании: - снижение доли добавляемого какао масла при коншировании: - снижение энергозатрат при отливке и структурообразовании шоколада. При использовании интенсивных режимов подготовки массы к формованию возможно: - экономия какаопродуктов за счет введения добавок; - минимизация затрат на структурообразования путем повышения точ ности дозирования; - снижение энергозатрат при перемешивании. При отливке возможно: - снижение энергозатрат; - снижение затрат на сырье за счет допуска на содержание добавок. Для выявление значений технологических показателей, режимов процессов и технических характеристик оборудования, обеспечивающих ресур-сосбержение необходимо провести комплекс работ, включающий эксперимен-тальные исследования и теоретические расчеты.
Механические процессы и оборудование для их реализации
Для кондитерского жира так же можно видеть удовлетворительное совпадение результатов опытов и расчета. Однако, в этом случае изменение мощности более плавное, так как предельное напряжение сдвига меньше.
Расчеты показали, что производительность установки определяется-конструктивными параметрами зоны загрузки. Для ИЛЛЕКСАО 30-97 расчетная производительность составила 0,088 кг/с, а по экспериментальным данным 0,08 кг/с (табл. 5.5).
Расхождение между результатами расчетов и опытными данными по мощности не превышают 12 %, по производительности - 10 %, что позволяет сделать вывод об адекватности предложенной модели реальному процессу.
Как показано в разд. 5.3 основой ресурсосбережения при подготовке пралиновой массы к формованию является применение интенсивной механической обработки на стадии смешения пралине с жиром (отминке). Научное обоснование и примеры практической реализации изложены в работах С.В.Чувахина [261]. Интенсивные режимы реализуются в смесителе-пласти - 209 х10б. м3/с каторе, схема которого представлена на рис. 5.22. В вертикальной цилиндрической камере 1 с термостатирующими водяными рубашками расположен вал 2 с лопастями 3. В крышке камеры находится загрузочное окно 4 прямоугольного сечения. В месильной камере имеется патрубок 5. Выгрузочное отверстие 6 снабжено шибером 7. В цитируемой работе изложена подробная методика расчета этой машины, согласно которой произведен расчет расчет смесителя-пластикатора производительностью 700 кг/ч.
Смеситель-пластикатор работает следующим образом. Сыпучие компоненты поступают в месильную камеру 1 через загрузочное окно 4. Через конусный патрубок 5 в камеру 1 поступает жир в жидком или пластичном состоянии. Потоки компонентов пересекаются, что создает наилучшие условия для образования смеси. Далее она пластицируется лопастями 3, после чего через выгрузочное отверстие 6 неперывно подается на фомова-ние.
Обоснование возможности снижения энергозатрат при перемешивании и снижение доли жира жира в пралиновой массе при использовании интенсивных режимов подготовки массы к формованию состоит в следующем.
Реологические свойства пралиновой массы значительно изменяются при ее образовании. Так, кривые течения пралиновой массы при разной продолжительности отминки (рис. 5.23) в с Z-образными лопастями указывают на то, что характер течения в исследуемом диапазоне скоростей сдвига изменяется от псевдопластического до практически ньютоновского. Таким образом, путем интенсивных механических воздействий, можно изменять структуру массы от легкотекучей до вязко-пластичной. По этим же данным на рис. 5.24 представлена зависимость эффективной вязкости пралиновой массы от скорости сдвига и продолжительности ее обработки. Также имеет место значительное влияние на вязкость пралиновой массы содержание в ней жира. На рис 5.25 представлены графическая интерпретация результатов изучения зависимости эффективной вязкости пралиновой массы (при скорости сдвига 5,5 1/с) с разным содержанием жира от продолжительности смешения в смесителе, эксплуатируемом в производственных условиях. Представляют интерес результаты лабораторных анализов по определению массовой доли жира в образцах массы, приготовленной при интенсивных режимах смешения в лабораторной установке. На графике (рис. 5.26) отмечается тенденция к повышению доли жира, а сравнение с данными анализов контрольных образцов массы, полученной в производственных условиях показали, что уже после 60 с интенсивной обработки регистрируемая доля жира выше. Исследования показали, что с повышением интенсивности механических воздействий, энергозатраты при подготовке пралиновой массы к формованию снижаются (рис. 5.27).
На основании приведенных результатов исследований можно сделать вывод о том, что имеются реальные возможности снижения энергозатрат при подготовке пралиновых масс формованию. Конечно, при интенсивной механическиой обработке, с уменеьшением содержания жира повышаются энергозатраты, по имеется возможность снижения затрат дорогостоящего сырья (твердых жиров), так как вязкость массы при интенсивных воздействиях при одном и том же содержании жира снижается [161] (рис. 5.23 и 5.24).
Для" определения количественных соотношений между содержанием жира и энергозатратами при смешение проведены специальные исследования [170]. Их целью явилось определение влияния режимов механической обр ботки и технологических показателей пралиновой массы на энергозатраты при отминке в пределах допусков на содержание жира, установленных ГОСТОМ N 4570 "Конфеты. Общие технические условия".
