Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса 8
1.1 Современные технологии переработки гречихи в крупу 8
1.2 Классификация способов и машин для подготовки и шелушения гречихи 15
1.3 Физико-механические и технологические свойства гречихи 27
1.4 Показатели эффективности процесса шелушения зерна гречихи 40
Краткие выводы 46
Глава 2 Теоретическое исследование параметров шелушителя 47
2.1 Математическая модель встречного движения зерновок 47
2.2 Математическое моделирование движения зерна гречихи при двух операционном методе шелушения зерна 56
2.2.1 Исследование движения зерна по лопасти диска 58
2.2.2 Исследование скоростей зерна при выходе из ротора 60
Выводы по главе 61
Глава 3 Программа экспериментального исследования 62
3.1 План экспериментального исследования 62
3.2 Методики лабораторных исследований 62
3.3 Описание лабораторно-производственной установки 69
3.4 Планирование экспериментального исследования 75
3.5 Методика обработки результатов экспериментов 78
Выводы по главе 79
Глава 4 Результаты экспериментальных исследований 80
4.1 Определение физико-механических параметров зерна гречихи 80
4.2 Определение толщины оболочки зерна гречихи 84
4.3 Исследование разрушения оболочки и ядрицы гречихи от ее деформации при различных значениях влажности 86
4.4 Результаты лабораторно-производственных исследований 89
4.5 Сравнение результатов теоретического и экспериментального исследования 96
4.6 Теоретическое обоснование оптимизации параметров шелушения 102
Выводы по главе 107
Глава 5 Совершенствование технологии производства гречневой крупы на основе разработанного нового технологического оборудования 108
5.1 Экономическая эффективность применения шелушителя зерна гречихи в пищевом производстве 108
5.2 Современная технологическая схема производства крупы гречихи на основе модернизированного оборудования 114
Выводы по главе 119
Основные результаты 120
Литература
- Классификация способов и машин для подготовки и шелушения гречихи
- Математическое моделирование движения зерна гречихи при двух операционном методе шелушения зерна
- Описание лабораторно-производственной установки
- Исследование разрушения оболочки и ядрицы гречихи от ее деформации при различных значениях влажности
Классификация способов и машин для подготовки и шелушения гречихи
Продукты направляются на рассев 10 после 2-й системы шелушения 5. Сход с сита с отверстиями диаметром 4 мм рассева 10 после провеивания на аспираторе 11 и просеивания на сортировочной машине 12 поступает на 3-ю систему шелушения 13. Продукт, идущий сходом с сит с отверстиями размером 1,720 мм рассева 10, направляется на крупоотделительные машины 14. После крупоотделения продукт верхнего схода (ядрица) поступает на контрольные системы крупоотделительных машин 7, а нижние схода – на крупоотделительные машины 15. Продукты поступают на рассев 16 после 3-й системы шелушения 13. Сход с сита с отверстиями диаметром 4 мм рассева 16 после провеивания на аспираторе с замкнутым циклом воздуха 17 и просеивания на сортировочной машине 18 поступает на 4-ю систему шелушения 19. Сход с сита с отверстиями размером 1,720 мм рассева 16 вместе с продуктом, поступающим от сортировочной машины 12, направляется на крупоотделительные машины 20 (III этап крупоотделения). После крупоотделения продукт верхнего схода (ядрица) поступает на контрольные крупоотделительные машины 7, а нижние схода – на крупоотделительные машины 15 либо 22. Продукты шелушения машины 19 направляются на рассев 21. Сход с сита с отверстиями диаметром 4 мм рассева 21 возвращается на рассев 2. Сход с сита с отверстиями размером 1,72,0 мм рассева 21 поступает на крупоотделительные машины 22. После крупоотделительных машин 22 продукт верхнего схода (ядрица) направляется на выбой, а нижнего схода – на рассев 2. Лузга, отвеиваемая на аспираторах 3, 11 и 17, направляется на контроль (на чертеже не показан). Мучка и дробленка, высеиваемые на рассевах 2, 10, 16 и 21 и сортировочных машинах 4, 9, 12 и 18, также поступают на контроль.
Так как размеры зерен гречихи колеблются в широких пределах, технологический процесс предусматривает сортирование (предварительное и окончательное) гречихи на шесть фракций с помощью рассевов или крупосортировочных машин с последующим шелушением каждой фракции гречихи отдельно на вальцедековых станках. Ядрицу выделяют также пофракционно на рассевах, что требует развитого технологического процесса. В этом заключаются основные особенности существующего технологического процесса выработки гречневой крупы.
Этот способ выработки гречневой крупы позволяет значительно уменьшить внутризаводской оборот продукта, повысить производительность и эффективность технологического процесса выработки крупы.
Для подготовки зерна гречихи к переработке в крупу после очистки ее подвергают гидротермической обработке, включающей операции пропаривания, сушки, охлаждения.
Пропариватель зерна – аппарат А9-БПБ с автоматическим управлением предназначен для обработки паром гречихи, проса, овса, пшеницы, риса и др.
Значительный вклад в развитие исследований шелушильных машин внесли E.H. Гринберг, М.Е. Гинзбург, Я.М. Жислин, А.Я. Соколов, Е.М. Мельников, А.Б. Демский, В.Н. Невзоров, Е.В. Семенов, E.G. Nurullin. [32, 48, 49, 60, 83, 97, 124, 132, 135, 163] и другие.
Шелушильные машины, перерабатывающие зерно в крупу по способу воздействия рабочих органов на зерно (деформации, производящие разрушение и отделение оболочек), делятся на пять основных групп. Принципиальные схемы устройства рабочих зон каждой группы машин представлены на рисунке 1.3.
К первой группе относятся машины, в которых зерно подвергают шелушению усилиями сжатия и трения между торцовыми поверхностями двух абразивных дисков (постава) или в зазоре между вращающимся валком и неподвижной декой (вальцедековые станки). Различие этих машин состоит в траектории движения зерновок при шелушении и времени воздействия усилий на них. Шелушильные постава с нижним бегуном, имеющие вертикальную ось, на которой вращается абразивный диск (бегун), верхний диск, параллельный нижнему, установлен неподвижно. Продукт вводится через отверстие в центре верхнего диска, описывает кривую в виде спирали и выбрасывается в выводной патрубок с помощью гонков, прикрепленных к диску. Действующие силы при этом способе механического воздействия на зерно сводятся к сжатию и трению качения со скольжением. Перемещение зерна в междисковом пространстве постава обеспечивает центробежное усилие. К этой же группе относятся и вальцедековые станки, в которых зерно (гречиха, просо) подвергается шелушению между вращающимся абразивным барабаном и неподвижно закрепленной декой, примыкающей к рабочему валку с жесткой (абразивной для гречихи) и эластичной (резинотканевой для проса) поверхностями. Увлекаемое валком в рабочую зону, постепенно сужающуюся от места приема к выходу, зерно претерпевает действие – сжатие и трение. Во вторую группу входят машины, в которых шелушение и шлифование происходят за счет действия сил трения зерен между собой, а также трения их о рабочую поверхность абразивных дисков и перфорированной обечайки. Вследствие интенсивного трения наружных оболочек они отделяются. В кольцевом зазоре между рабочими органами зерно шелушится и шлифуется по винтовой траектории движения зерновки в рабочей зоне этой машины. Эти машины удаляют цветковые пленки, плодовые и семенные оболочки и частично зародыш при обработке ячменя, пшеницы, кукурузы и других культур. Шелушение и шлифование в этих машинах происходит в результате интенсивного трения в большом рабочем объеме, поэтому процесс шелушения – шлифования зерна является энергоемким во второй группе. Положительный момент в подобных машинах – возможность регулировать время обработки зерна в рабочем объеме за счет выпускных устройств.
К третьей группе относятся машины, шелушащие зерна за счет многократно повторяющихся ударов и инерционных сил. Обеспечивается это вращающимися лопастями или бичами, отбрасывающими зерно на твердую поверхность, благодаря чему происходит разрушение и отделение оболочек, или зерно разгоняется вращающимися дисками и ударяется о неподвижную кольцевую обечайку. Такие машины используются для шелушения овса, ячменя и др. К ним относятся обоечные машины, центробежные шелушители, бичевые машины и др.
В четвертую группу входят машины, шелушащие зерно в результате действия сил сжатия и сдвига, используя пару обрезиненных валков, установленных с регулируемым зазором и вращающихся навстречу друг другу с различной окружной скоростью. Оборудование четвертой группы включает в себя различные конструкции шелушильных машин с обрезиненными валками.
К пятой группе относятся машины, где зерно шелушится при помощи струи воздушного потока и в результате действия комплекса различных факторов (разность скоростей, касательные силы, перепад давлений, скачки уплотнений и др.), возникающих при обтекании продукта высокоскоростной (звуковой и сверхзвуковой) воздушной струей. К ним относятся различные типы аэрошелушильных установок, и характеризуются они отсутствием движущихся рабочих органов.
Вопросам разработки и исследования послеуборочной обработки зерна и подготовки его к переработке посвящены работы В.А. Бутковского, В.В. Гортинского, А.Б. Демского, А.Я. Соколова, И.Т. Мерко, М.Е. Гинзбурга, Е.М, Мельникова, А.В. Авдеева, В.И. Анискина, В.Н. Невзорова, В.А. Самойлова, Е.С. Гончарова [1, 14, 27, 32, 36, 49, 84, 88, 95, 96, 101, 115, 119, 123, 125, 135] и многих других.
Технологическое оборудование крупопроизводящих предприятий классифицируется: сепараторы ситовые, воздушные, ситовоздушные, триеры, фрикционные, магнитные; камнеотделительные машины; сортировочные столы; крупоотделители. Пропариватели, увлажнители, сушилки и вакуумные кондиционеры. Вальцедековые станки, вальцовые станки, обоечные машины, дисковые и барабанные дробилки, щеточные, полировальные и шлифовальные машины.
Сепараторы типа А1-БИС и А1-БЛС, называются ситовоздушными и относятся к сепараторам, очищающих зерно от примесей на ситах, которые отличаются от зерна шириной и толщиной, а в аэросепарирующем канале – скоростью витания. На рисунке 1.4 представлен сепаратор типа А1-БИС-12, состоящий из двухсекционного ситового корпуса, установленного в станине на гибких подвесках, и вертикального аэросепарирующего канала.
Математическое моделирование движения зерна гречихи при двух операционном методе шелушения зерна
Литературные и патентные источники представляют большое количество технологий переработки зерна гречихи, которые используют оригинальные способы и устройства для шелушения [4, 26, 28, 50, 51, 61, 64, 69, 72, 79, 104, 106, 111, 137, 145, 147]. Однако многие из них требуют предварительного фракционирования зерна, что приводит к дополнительному технологическому оборудованию и увеличению ресурсов и энергозатрат. Следовательно, разработка новых энергоресурсосберегающих устройств для шелушения зерна имеют народнохозяйственное значение. Совершенствование технологии переработки зерна гречихи требует разработки и создания шелушильных машин универсального типа, основанных на различных способах воздействия на объект переработки. Такие технические средства имеют более высокую производительность и снижают энергоемкость технологического процесса. Исследование существующих технологий и конструкций машин для шелушения, изучение патентов в этой области показали, что наиболее целесообразным путем повышения производительности и снижения энергоемкости, следует считать использование шелушителей роторно ротационного типа, основанных на центробежно-ударно-инерционном воздействии на зерно.
Имеются различные способы улучшения технологических свойств зерна гречихи. Таким из наиболее экономичных является гидротермическая обработка, включающая операции пропаривания, сушки и охлаждения, заключающаяся в одновременном воздействии на зерно теплоты и влаги путем обработки его насыщенным водяным паром [6, 7, 16, 55, 56, 65, 66, 157]. Воздействие на зерно влагой и теплотой, вызывает преобразования физико-химических и биохимических свойств, тесно связанных с технологическими особенностями зерна гречихи. Такое воздействие способствует повышению прочности ядра, ослаблению оболочки и снижению дробления ядра в процессе шелушения. Вальцедековые станки 2ДШС-ЗБ, применяемые в промышленности для шелушения гречихи, имеют конструктивные недостатки по эффективности шелушения и надежности в эксплуатации, которые приводят к увеличению выхода продела, за счет повышенного дробления ядра. Станки, выпускаемые одного типоразмера для крупных или мелких фракций зерна гречихи, использовать нецелесообразно, из-за повышенных энергозатрат и эффективности шелушения.
Эффективность процесса шелушения зерна необходимо оценивать для сравнения определенного уровня работы машин, а также для сравнительной характеристики разных конструкций. Основные требования к процессу шелушения: обеспечение более полного отделения пленок от зерна и максимальная сохранность целостности ядра, обеспечивающая минимальное образование дробленки и мучки.
Следует стремиться к повышению коэффициента шелушения. Причем повышение коэффициента шелушения приводит к увеличению выхода дробленого ядра, зависимость эта, как правило, нелинейная (рисунок 1.13). Следовательно, шелушить зерно при коэффициентах шелушения, резко повышающих выход дробленого ядра, не рекомендуется. Рисунок 1.13 - Выход дробленого ядра D в зависимости от коэффициента шелушения Кш: 1 - гречиха; 2 - просо.
Основным направлением совершенствования процесса шелушения является необходимость модернизации технологического оборудования.
На крупозаводах для шелушения зерна используются машины различных типов, перерабатывающие несколько разных культур, а некоторые машины -только одну.
Во вновь строящихся заводах для переработки зерна необходимо предусмотреть создание универсальных шелушильных машин, способных перерабатывать различные культуры зерна.
В кормоприготовительном цехе эксплуатируется аэрошелушильная машина А1-АШМ-4, в которой процесс шелушения зерна происходит в результате перепада давлений и разности скоростей при взаимодействии воздуха с продуктом. Однако этот процесс шелушения отличает большая энергоемкость.
При шелушении зерна получают смесь различных продуктов, которые условно можно разделить на пять фракций.
Основной фракцией является шелушенное зерно, или ядро. Зерна, остающиеся нешелушенными, образуют вторую фракцию. В процессе шелушении отделяются наружные пленки, которые являются третьей фракцией – лузгой. Однако, при шелушении часть ядра дробится, дробленое ядро – это четвертая фракция. Пленки и часть ядра дробятся до более мелких частиц, представляющие собой мучку – пятую фракцию. В просеивающих машинах выделяют мучку и дробленое ядро, так как эти продукты имеют меньшие размеры. За счет аэродинамических свойств лузгу отвеивают в аспираторах. Нешелушенные зерна, оставшиеся в смеси с шелушенными, должны быть вновь направлены в шелушильные машины. На повторное шелушение должно поступать нешелушенное зерно после выделения его из смеси с шелушенным. Если невозможно разделить нешелушенное зерно от шелушенного, то на повторное шелушение направляют смесь этих зерен. Тогда применяются две схемы шелушения зерна.
Описание лабораторно-производственной установки
Нахождение разницы между энергиями разрушения оболочки и ядрицы в зависимости от влажности зерна. Разрабатывая конструктивные элементы роторно-ротационного шелушителя необходимо знать параметры качественного отделения оболочки зерна от ядра, а также необходимо определить технологический режим работы разрабатываемой установки. Для этого найдем разницу между энергией затрачиваемой на шелушение зерна гречихи и энергией затрачиваемой на разрушение ядра при различных влажностях.
Разницу между энергиями разрушения оболочки и ядра нашли из проведенных экспериментов, по методике описанной в третьей главе.
Эксперимент проводился по четырем значениям влажности (10,1; 11,2; 12,1; 13,4), сорт гречихи – «алтайская». По полученным экспериментальным данным построен график зависимости энергий разрушения оболочки и ядра зерна гречихи от влажности (рисунок 4.6).
Определив влажность, при которой разница этих энергий наибольшая, проводим шелушение при этой влажности с определенным технологическим режимом (зерно при ударе получает энергию менее, чем энергия разрушения ядра) и достигаем оптимальной технологической эффективности работы роторно-ротационного шелушителя.
По итогам исследования можно сделать вывод, что шелушение целесообразно проводить при влажности зерна 11,2-12,1%. Рисунок 4.6 – Зависимость энергии разрушения зерна гречихи Влажность, оказывающая влияние на разницу в величинах разрушающих усилий оболочки и ядра зерна гречихи, является важным показателем, характеризующим физико-механические и технологические свойства зерна. При большей разнице, эффективнее протекает процесс шелушения с точки зрения приложения необходимого усилия для разрушения оболочки с сохранением в целостности ядра.
На существующих машинах при шелушении зерна гречихи оптимальная влажность ее после гидротермической обработки считается 12...13%. Результаты проведенных исследований, обработанные в компьютерной программе Microsoft Excel с помощью функции «добавить линию тренда (аппроксимация и сглаживание)», показаны на графиках 4.7, 4.8.
В процессе выполнения эксперимента разрушающее усилие возрастало по мере увеличения деформации зерновки, затем разрушающее усилие переставало увеличиваться и постепенно уменьшалось, при этом зерновка прекращала сопротивляться усилию и разрушалась. Таким образом максимальное значение усилия разрушения показанное на графике и есть усилие разрушения зерновки при данной влажности.
Определение влияния основных режимов работы роторно-ротационного шелушителя на эффективность шелушения.
Целью лабораторно-производственных экспериментов является определение оптимальной области факторов, оказывающих наибольшее воздействие на технологическую эффективность шелушения при использовании установки роторно-ротационного типа. Теоретические исследования и лабораторные эксперименты показали, что такими факторами являются влажность перерабатываемого зерна и частота вращения рабочих органов.
Эксперименты проводились на специально созданной лабораторно-производственной установке по методике описанной в главе 3. Результаты опытов представлены в таблицах (приложение 2). Целью дальнейшего анализа результатов экспериментальных данных является выявление зависимости параметров, характеризующих качество шелушения от рассматриваемых факторов. Математическая обработка результатов эксперимента проводилась по методике описанной в главе 3 и с помощью программы «Microsoft Excel 2010».
Результаты обработки экспериментальных данных показаны на рисунке 4.9, 4.10, 4.11. Ниже приведены уравнения регрессии для каждой функции графиков.
Как видно из графиков наилучшая эффективность процесса шелушения получается при обработке гречихи влажностью 10,1-12,1 % и скоростью вращения рабочих органов 800-900 мин-1. Максимальный коэффициент извлечения ядра наблюдается при максимальной разнице между энергиями разрушения оболочки и ядра, что подтверждено данными лабораторных экспериментов.
Исследование разрушения оболочки и ядрицы гречихи от ее деформации при различных значениях влажности
Указанная схема работает следующим образом. Зерно гречихи, прошедшее первичную обработку на зерноочистительной машине, падди-машине и триере, поступает на ситовый анализатор, имеющий несколько рядов сит.
Для повышения эффективности рассева на несколько классов по размеру частиц, приводной механизм выполнен в виде четырех цилиндров с подвижными штоками, проходящими через их центральное отверстие и закрепленных в эластичных тороидах, заполненных текучей средой с пневмоуправлением возвратно-поступательного движения в цилиндрах. Эффективная работа устройства происходит за счет возможности целенаправленного программирования функций рассева, бесступенчатого управления и плавности регулирования. У такой системы более высокий КПД – преобразование энергии рабочей текучей среды, заключенной в эластичную оболочку, в движение и, как следствие, замена трения скольжения на трение качения – эффект «колеса», т.е. интегральное свойство эластичных тороидов, их выворачи ваемость/наволакиваемость происходит с минимальными затратами энергии. Затем зерно очищается от металлических частиц на магнитном сепараторе. Преимуществом разработанного магнитного сепаратора на магнитах Nd-Fе-В (неодим-железо-бор) являются: стабильность магнитных свойств, более 12 лет, не требуют потребления электроэнергии, имеет высокие магнитные свойства и большую производительность при существенно меньших размере и весе, автоматическая очистка от примесей.
После очистки от феррочастиц зерно загружается в пропариватель через патрубок 3 и заполняется зерном до уровня фланцевого соединения его с конусной крышкой 2, измеряя его влажность датчиком 16. Перекрывают загрузочный патрубок 3 заслонкой 17, разгрузочный патрубок 4 заслонкой 19 и подают пар в вертикальный шнек 5 через патрубок 7. Шнек 5 начинает медленно вращаться от привода 21 через редуктор 22. Пар, проходя через отверстия заполняет весь объем цилиндрической камеры 1, равномерно пропаривает зерно и через отверстие 12 поступает в верхний коллектор 10, затем по трубам 11 проходит в нижний коллектор 9, обогревая кварцевый песок 20 и выходит через патрубок 13 с датчиком давления 14 и регулятором 15. Выходное давление измеряется датчиком 14, устанавливается блоком управления 23 и поддерживается регулятором 15 по линии Д-Д. В блоке управления 23 задается выходная влажность зерна. Разность влажностей, измеренной датчиком 16 и заданной, определяет время пропаривания. При достижении заданного установленного времени пропаривания подачу пара прекращают и постепенно открывают патрубок 13 для сброса пара. Для выпуска зерна открывается задвижка 19 патрубка 4 с одновременным измерением влажности зерна датчиком 18. В случае недостаточного увлажнения зерна заслонка 19 и патрубок 13 закрываются, а блок управления 23 дает команду на рециркуляцию зерна шнеком 5 с подачей пара через патрубок 7 и регулировкой давления на выходе пара. Сравнение влажностей, между полученной от датчика 18 и заданной, определяют добавочное время пропаривания. Дальнейшая работа пропаривателя повторяется согласно вышеописанной схеме. Применение различных алгоритмов работы пропаривателя позволяет улучшить его работу и уменьшить энергопотребление. Далее пропаренное зерно поступает в сушилку, на базе двигателя «Стирлинга», работающего на любом топливе. Повышение качества сушки происходит за счет создания автономного устройства, реализуемого в герметичной сушильной камере посредством активного вентилирования с собственным энергетическим блоком. Двигатель 2 прогревает трубы 9, через которые прогоняется воздух вентилятором 6 в линию7 сушилки 8 и вращает ротор генератора 13, который питает блок электронного управления 5.
После сушилки зерно гречихи подается в охладитель, запитанный от холодильной машины, тепло от которой подается на вентилятор сушилки. Устройство для пневматического разделения сыпучих материалов-охладитель, включающее корпус с расположенной в верхней его части и коаксиально ему подготовительной камерой, питающий патрубок, соединенный тангенциально с подготовительной камерой, распределитель холодного воздуха, расположенный в корпусе и соединенный с вентилятором, приемник основной фракции зерна, расположенный в нижней части корпуса. Верхняя часть корпуса выполнена в виде усеченного корпуса, соединенного с нижним конусом большими основаниями и снабжена лопастным ротором, закрепленным в нижней части подготовительной камеры соосно с корпусом, причем лопастной ротор имеет дополнительные вентиляционные лопасти в нижней части, с возможностью создания вертикального перемещения холодного воздуха. Холодный воздух в пневматический разделитель подает вентилятор циклона охладителя. Зерно разбрасывается ротором и охлаждаясь двигается к шелушителю.
В шелушителе зерно поступает в корпус 1 через загрузочный патрубок 3, попадая на вращающийся ротор 6, где продукт разгоняется посредством лопастей, и выходит из ротора, после отрыва частицы сталкиваются с декой 5 и скатываясь по конусу 9 вращаясь и шелушась попадают на второй ротор 7. Затем зерно снова ударяется о деку 10 с резиновым покрытием и окончательно освободившись от лузги и мучки скатывается через выходной патрубок 12. Лузга и мучка уходят через аспираторный канал 4.
Ожидаемый экономический эффект от внедрения всего комплекса разработанного оборудования по предварительным расчетам составит 5 тыс. руб. на 1 тонну переработанного зерна гречихи.
Анализ существующих технологий и оборудования по функциональным признакам показал, что для проведения шелушения зерна гречихи требуются роторно-ротационные рабочие органы, соответствующие физико-механическим параметрам зерна гречихи и технологическим параметрам шелушения.
Теоретически обоснована и практически разработана оригинальная конструкция нового шелушителя роторно-ротационного типа, обеспечивающая высокое качество шелушения 85 – 95% с коэффициентом целостности ядра 0,61 – 0,63%.
Обоснована математическая модель процесса взаимодействия рабочих органов шелушителя с обрабатываемым зерном, которая позволила установить, что при уменьшении cкорости рабочих органов менее оптимального (25-30 м/с) происходит уменьшение коэффициента шелушения, а при превышении – увеличивается дробление крупы гречихи. Установлено, что максимальная разница между энергиями разрушения оболочки и ядрицы зерна гречихи происходит при влажности 10,1 – 13,4%, при этом минимальные энергии разрушения: ядрицы 30-34Дж, оболочки 17-20Дж.
Экспериментально определено, что наиболее эффективными параметрами работы опытной установки при шелушении являются: окружная скорость рабочего органа ротора и ротационной деки одновременно противоположно 500 – 900 мин-1 и 200 мин-1.
