МЕХАНІЧНІ ПРОЦЕСИ
2.1.Подрібнення
Подрібненням прийнято називати процес поділу твердого тіла на частини. Подрібнення засноване на дії сил, які прагнуть подолати сили зчеплення між частинками, у результаті утворюються нові поверхні. Механічне подрібнення матеріалу призводить до збільшення поверхні твердих речовин шляхом дроблення різання та безпосереднього подрібнення.
Процес подрібнення широко застосовується в борошномельному, цукробуряковому, консервному, крохмалопатковому, спиртовому, пивоварному, виноробному та інших виробництвах. Переробка матеріалу подрібненому вигляді дозволяє прискорити екстрагування речовин, теплову обробку матеріалів.
Подрібнення може бути просте та вибіркове. При простому подрібненні продукт руйнується, проходячи через подрібнюючий пристрій один раз, а при вибірковому подрібненні (як правило, багаторазовому) вилучаються частинки будь-якої однієї речовини. При вибірковому подрібненні процес здійснюються послідовно. Кожну стадію процесу подрібнення будують так, щоб були отримані частинки, що відрізняються тими чи іншими фізичними властивостями. Це надалі полегшує поділ сипучої суміші на фракції, кожна з яких складається з більш-менш однорідних частинок за складом. Наприклад, подрібнення жита та пшениці в сортове борошно засноване на використанні відмінностей структурно-механічних властивостей ендосперму та оболонок. В основу системи побудови складного помелу покладено метод вибіркового подрібнення зерна та його частинок. Цей метод у поєднанні з формами подрібнювальних машин дозволяє так вести процес, щоб можна було звести до мінімуму дроблення оболонок та витягти максимальну кількість ендосперму. Матеріал після подрібнення надходить на класифікуючий апарат, який відбираєвеликі частинки і повертає їх на подрібнення. Вихід муки, тобто. витяг, її якість багато в чому залежить від досконалості процесу подрібнення зерна. При великому подрібненні знижується продуктивність машин, підвищується витрата енергії, отже, збільшується собівартість продукції.
Залежно від розмірів шматків (частинок) вихідного матеріалу до подрібнення та розмірів частинок подрібненого матеріалу процеси класифікують наступним чином: велике дроблення, середнє дроблення, дрібне дроблення, тонке подрібнення та надтонке подрібнення.
Основними критеріями оцінки ефективності процесу подрібнення будь-яких твердих тіл є ступінь подрібнення, питома енергоємність процесу та питоме навантаження на робочий орган машини, що подрібнює. Ступінь подрібнення визначають як відношення сумарної поверхні частинок продукту після подрібнення сумарної поверхні частинок вихідного продукту. Наприклад, у борошномельній промисловості ступінь подрібнення коливається від 20 до 50 мкм, в овочесушильній – від 300 до 400 мкм.
Подрібнення матеріалу здійснюється шляхом руйнування його первісної структури різними видами деформації: роздавлюванням, розколюванням, стиранням, ударом (рис.7)
Залежно від механічних властивостей та початкових розмірів подрібнюваного матеріалу застосовують один із зазначених способів дозволу або їх поєднання. Велике, середнє та дрібне дроблення твердих та крихких матеріалів доцільно здійснювати роздавлюванням, ударом та розколюванням. Тверді та в'язкі матеріали в основному руйнуються роздавлюванням та стиранням. Тонке та надтонке подрібнення проводять у воді або інших рідинах для виключення пилоутворення та агломерування вже отриманих надтонких частинок. Дроблення та подрібнення є енергоємнимипроцесами.
За призначенням подрібнювальні машини умовно поділяють на дробарки великого, середнього та дрібного дроблення та млина тонкого та надтонкого подрібнення.
Для великого дроблення застосовують щокові та конусні дробарки. Основними робочими органами щокової дробарки є нерухома і рухлива щоки, захищені від стирання сталевими рифленими литими плитами із зносостійкої марганцевої сталі. Матеріал надходить на дроблення у верхню частину простору між щоками, подрібнюється розколюванням та роздавлюванням за рахунок коливального руху рухомої щоки, поступово провалюється і виходить через нижню щілину.
Щокові дробарки широко застосовуються при підготовці сировини у гірничо-механічній, металургійній та промисловості кольорових металів. Найбільш потужні агрегати можуть подрібнювати матеріал розміром до 1,5 м у поперечнику, при цьому споживаючи значну кількість енергії. У щокових дробарках енергія споживається практично за робочий хід при миттєвих навантаженнях.
У конусних дробарках матеріал подрібнюється роздавлюванням і стиранням при зближенні поверхонь нерухомого усіченого конуса і внутрішнього конуса, що ексцентрично обертається. Матеріал, що завантажується в простір між конусами, подрібнюється між ними і надходить у нижню частину машини. Дроблення матеріалу відбувається безперервно, у зв'язку з чим конусні дробарки продуктивніші, ніж щокові. Для середнього та дрібного дроблення застосовуються валкові, молоткові дробарки, дезінтегратори. Валкові дробарки є два валка, що обертаються назустріч один одному. Поверхня валків може бути гладкою, рифленою або зубчастою. Зубчаста поверхня застосовується для крихких матеріалів, що подрібнюються в основному розколюванням. Для дроблення в'язких матеріалів валкам, повідомляють, різнушвидкість обертання, щоб посилити їх стиральну дію. При одноразовому стисканні немає передрібнення матеріалу. Валкові дробарки найбільш ефективні для подрібнення матеріалу помірної твердості та невеликого розміру.
Для виробництва борошна макаронних та хлібопекарських помелів використовують вальцьові верстати з нарізними валками. На характер подрібнення продуктів впливають форма рифлів, їх кількість на 1 см кола, ухил до осі вальця, взаєморозташування (вістря по вістря, вістря по спинці, спинка по вістря, спинка по спинці та ін.). Чим більше рифлів тим більше ступінь подрібнення. Найбільше подрібнення відбувається при розташуванні рифлів «вістря по вістря», тому що в цьому випадку грані вістря обох вальців активно впливають на продукт. Більш м'який вплив виходить при знаходженні рифлів у положенні спинка по спинці, так як грані вістря обох вальців меншою мірою беруть участь у деформації продукту. Ухил рифлів коливається від 4 до 14%. Максимальний ухил використовується при помелі твердої пшениці, сортових помелях жита.
Для виробництва вівсяних та кукурудзяних пластівців застосовують вальцьові верстати-плющилки з гладкими валками. Для подрібнення олійного насіння застосовують п'ятивалкові дробарки.
Молоткові дробарки (млини) є ударно-стираючими машинами. Продукт у них подрібнюється внаслідок удару робочих органів (молотків) та стирання про нерухому перфоровану деку. Молоткові дробарки застосовуються для подрібнення крихких матеріалів помірної твердості (вапняк, кам'яне вугілля). Вони за один прийом забезпечують відносно високий рівень подрібнення зерна, картоплі, цукру, солі та інших продуктів.
Дезінтеграториявляють собою машини ударної дії. Подрібнений матеріал через бункер надходить до центральної частинимашини, дробиться пальцями диска, що обертається, відкидається до периферії і зустрічається з пальцями кола другого ротора, що обертається в протилежний бік. Частки, що подрібнюються, здійснюють зигзагоподібні рухи, піддаючись багаторазовому дробленню.
Близькі конструкції до дезінтеграторів машини називаються дисмембраторами. Вони обертається лише один ротор, а другий нерухомо укріплений на станині. Дисковий подрібнювач застосовують при подрібненні зерна, сухарів, какао-бобів, горіхів. Ударно-відцентрові подрібнювачі мають високу продуктивність і використовуються в широкому діапазоні ступенів подрібнення.
У машині для тонкого та надтонкого подрібнення матеріал з розмірами частинок 2-10 мм доводять до високої тонини помелу, що досягає 1*10 -4 мм. З цією метою служать млини різних конструкцій: барабанні, вібраційні, колоїдні. Матеріал, який потрібно подрібнити, завантажують у млин разом з тілами, що мелють (металеві кулі, стрижні, окатана галька). Великі кулі служать для подрібнення великих шматків матеріалу, а середні та дрібні – для стирання дрібних зерен. У стрижневих млинах продукт подрібнюється рівномірніше, ніж у кульових. Подрібнення у млинах виробляють сухим та мокрим способами.
У вібраційних млинах через інтенсивну ударно-стираючу дію забезпечується висока дисперсність продукту і однорідність розмірів подрібнюваного матеріалу. Але млини цього типу мають відносно низьку продуктивність через велику зайнятість обсягу тілами, що мелють. Крім того, через велике розігрів матеріалу вібраційні млини не можуть використовуватися для помелу матеріалів, що мають низькі температури плавлення або розм'якшуються при нагріванні.
Для надтонкого подрібнення дорогих матеріаліввикористовують пневматичні млини, у яких необхідна для подрібнення матеріалу енергія повідомляється струменем повітря (перегрітої пари, інертного газу), що подається зі звуковими та надзвуковими швидкостями. У струменевих млинах досягається висока однорідність матеріалу, що подрібнюється, проте вони вимагають великих енерговитрат, витрачають значну кількість стисненого газу.
Колоїдні млини використовуються для надтонкого мокрого подрібнення матеріалу між статором і обертовими зі швидкістю 100м/с ротором в зазорі, що не перевищує 0,05мм. Частинки обертаються навколо своєї осі з такими високими швидкостями, що розриваються під впливом відцентрових сил. Так як частинки перебувають у рідині, вони не агрегуються. Однак органи, що мелють, можуть забруднити продукти помелу матеріалом, з якого вони виготовлені.
При необхідності надання продукту певної форми та розміру використовують різальні машини (консервне, цукробурякове виробництво).
Залежно від форми та конструкції різального інструменту різальні машини поділяють на наступні три основні групи:
- з дисковими ніжками, що обертаються;
- з фігурними ніжками (серповидними, прямокутними та ін.);
- з комбінованими ніжками, що розрізають продукт у двох взаємно перпендикулярних напрямках.
Залежно від швидкості подачі продукту до ріжучих кромок машини поділяють на лінійні, барабанні та роторні. Робочим органом різальних машин є ніж. Для процесу різання характерним є відносне переміщення ріжучого інструменту та продукту, при якому рух відбувається одночасно перпендикулярно та паралельно лезу. У харчовій промисловості найбільш поширені дискові та відцентрові машини. У різальній відцентровій машині,застосовуваної для подрібнення буряків у жолобчасту або пластинчасту стружку, ножі встановлені вздовж циліндричного корпусу. Назустріч ріжучій кромці ножів зі швидкістю 100-120 об/хв обертається равлик з лопатями. Буряк захоплюється лопатями, притискається до ножів і подрібнюється в стружку, яка викидається в простір між корпусом і кожухом.
Для подрібнення плодів (при виробництві соків) і картоплі (на крохмалопаткових заводах) використовуються теркові машини, в яких основним подрібнюючим органом є спеціальні зубчасті пилки, укріплені на барабані, що обертається з великою швидкістю. Тертки з металевими притисками дають високий коефіцієнт подрібнення та мають найменшу питому витрату енергії. На невеликих підприємствах застосовують терки з притисками дерева твердих порід (зазвичай комлева частина берези), але вони дають менший коефіцієнт подрібнення. Для повного розриву клітин під терочними барабанами встановлюють спеціальні решітки. Чим більша окружна швидкість пиляльної поверхні барабанів, кількість пилок і кількість зубів на них, тим вищий ступінь подрібнення продукту. Ступінь подрібнення продукту залежить від конструкції різальної машини, тривалості перебування в ній матеріалу, його вологості та витрати енергії на проведення процесу.