Механические процессы.формообразование

        Если же после заполнения формы матрицы материал оставить в ней на некоторое время при сохранении внешнего силового давления, произойдет следующие. Упруго нагруженные внутренние поперечные связи молекул в значительной мере разорвутся, а в местах нового сближения молекул образуются новые поперечные связи. В результате материал примет новое устойчивое состояние с уменьшенными внутренними напряжениями. Это новое устойчивое состояние будет соответствовать новой форме, приданной штампом.

        Таким образом, особенность формирования пищевых материалов состоит в необходимости их выдержки под давлением в матрице штампа. Продолжительность выдержки определяется законом релаксации напряжений в материале. Надо, чтобы напряжения релаксировали в достаточно полной мере, т.е. уменьшались по крайней мере на порядок.

        Релаксационное свойство материалов описываются законом Максвелла, или законом экспонциального уменьшения напряжений во времени:

      Продолжительность выдержки материала под нагрузкой в штампе должна превышать период релаксации . На порядок напряжения уменьшаются, если этот период превысит по крайней мере вдвое.

       Усилия штампования определяются необходимым напряжением штампуемом материале (Па)

    Для пшеничного кондитерского теста С=1,25…9,9.

        Нагтение (выдавливание через матрицу) пищевых материалов виде непрерывных жгутов (макаронных изделий, конфетных масс, сырковых масс и др.) имеет специфичную особенность, что под влиянием повышенного давления, действующего со вместо со сдвиговыми деформациями слоев материала, его длинные полимерные молекулы сближаются. В результате количества поперечных связей между ними существенно увеличивается и материал приобретает повышенную прочность в частности, макаронные изделия, полученные таким способом, меньше развариваются.

        Для увеличения этого эффекта используют ряд конструктивных и технологических приемов. Основные из них следующие: повышение давления на входе в матрицу до 35МПа и больше; вакуумирование  матрицы с целью удаления воздуха из теста и более тесного сближения молекул; специальная профилирование входной части матрицы с целью увеличения относительных смещений слоев материала при движения по ней; повышение содержания клейковины в макаронном тесте с целью увеличения количества длинных полимерных молекул; понижения влажности макаронного теста с целью уменьшения содержания инертного материала, в данном случае воды, припятствующего сближению длинных молекул и образованию прочной высокосвязанной их структуры; использование для макаронного теста муки - крупчатки, внутренняя часть крупок которой остается менее влажной в процессе замеса и этим способствует отбору излишней влаги ( действие, аналогичное технологическому приему уменьшению влажности макаронного теста); добавление специальных присадок к тесту и др.

        Действуя совместно, эти  приемы придают макаронным изделиям гладкость наружней поверхности и ее сохранения при варки без отрыва от поверхности части продукта и перехода его в воду.

        Прокатывание – процесс деформирования материала между параллельно расположенными валками. В результате прокатки получают лист или жгут материала заданного профиля. По аналогии с процессом получения плоских листов при формировании пластмасс процесс раскатывания листовых заготовок теста и других материалов может называется также коландрированием. В процессах прокатывания и округления тестовых заготовок действие на их поверхность усилий продолжается некоторое время. Этим прокатывание отличается от процесса ковки, в котором продолжительность действия усилий на поверхность заготовки весьма мала. В результате процесса деформирования материалов при прокатывании, округлении и закатывании становятся возможными, хотя и требуют многократного повторения.

        Итак, особенностью формообразования пищевых материалов является необходимость выдерживания материалов под нагрузкой в течение времени релаксации напряжений.[5]

Разделение  сыпучих сред.

      Разделение неоднородных систем класса Т-Т осуществляют в основном по признаку различия размеров частиц сыпучего материала с использованием сит. Этот процесс называют вибрационным сепарированием.

       Гидравлической классификацией называют сепарирование в водной среде. Плотность воды в 800 раз и более выше плотности воздуха и потому различие динамических напоров на разделяемые частицы также увеличиваются при этом в 800 раз и более.

       Механическая стерилизация основана на различии прочности частиц. Этим методом осуществляют, например, разделение кондиционных и тронутых вредителями зерен пшеницы. Этот процесс осуществляется в механических стерилизаторах.

       Магнитное сепарирование основано на различии магнитных свойств частиц. Используют этот метод для выделения ферромагнитных частиц из сыпучих продуктов. Ферромагнитными являются, например, железосодержащие частицы (опилки) в муке. При воздействии на такую сыпучую смесь магнитного поля железосодержащие частицы увлекаются магнитными силами к одному из полюсов магнита.

        Электрофильтрование – метод разделения частиц сыпучей среды, основаны на различие электромагнитных свойств частиц. Дисперсионную среду пыли в начале ионизируют в электрическом поле высокого напряжения                  (10…15 кВ*А), а затем создают условия для сорбирования ионов частицами дисперсной фазы. Получившая в результате этого электрический заряд частицы движутся в электрическом поле противоположно заряженному электроду. Достигнув его, частицы разряжаются и опадают вниз под действием силы тяжести.

       Флотация использует различия смачиваемости поверхности частиц водой, содержащей флотационный реагент, усиливающий эти различия.

       Эффект разделения – доля вещества, выделенного из смеси применяемым способом. Этот показатель применяют для характеристики как самого метода, так и используемого аппарата.[5]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II. Классификация оборудования для формирования

       Классификация оборудования для формования пищевых продуктов представлена на рис.1[4]

Рис.1. Классификация формовочного оборудования

        Ротационные формующие машины предназначены для получения из пластичного сырья (тесто) заготовок полуфабрикатов определенной формы и размера с рисунком на поверхности.

       Заготовки из сдобного и пряничного теста формуются на на отсадочных машинах.

       Штампующие машины предназначены для резки исходного продукта виде жгута на отдельные изделия и придания им различной формы.

       Режущие машины предназначены для деления пластов конфетных масс на отдельные части в форме параллелепипеда.

       Отливочные машины служат для получения изделий определенного объема, формы и рисунка из полужидкой или жидкой кондитерской массы отливкой ее в форму. Они отделяют от жидкой массы порцию определенного объема и отливают ее форму. Материал формы зависит от физических и химических свойств заливаемой массы.

         По типу основного рабочего органа экструдеры подразделяют на одношнековые, многошневовые,  дисковые, поршневые и др. Классификация экструдеров приведена на рис.2.[4]

Рис.2. Классификация экструдеров

        Поршневые и валковые экструдеры оказывают щадащие воздействие на перерабатываемые продукт, их используют для формования продукта снежной консистенцией.

        Валковые экструдеры применяют в машинах без матриц, шестеренные – для формования однородных и гомогенных материалов в машинах с матрицами.

       Производительность шнекового экструдера определяется взаимодействием нагнетателя и формующей головки.

       Расходно – напорная характеристика (РНХ) нагнетателя - зависимость создаваемого им расхода материала Q от противодавления ∆p на выходе, РНХ формующего органа (матрица) – это функция расхода через отверстия матрицы от давления в предматричной камере.

        Анализ РНХ шнекового нагнетателя и формующей головки позволяет определить производительность экструдера и развиваемого при этом давления на входе в матрицу для конкретного сечения шнек – матрицы при заданной частоте вращения шнека.[4]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

III.Описание и расчет машины для формирования (экструдер)

        Экструдирование является одним из перспективных технологических процессов, позволяющих производить разнообразные пищевые и кормовые продукты. Процесс экструдирования - это преобразование сыпучего мелкодисперсного или грубоволокнистого кормового продукта в частицы определенных размеров с заданными физическими свойствами, что достигается механическим воздействием на продукт. Одновременное воздействие влаги, тепла и механического давления в камере пресса обеспечивает необходимое увлажнение и прогрев продукта с последующим формованием гранул в канале матрицы.

        Процесс экструзии классифицируют на 3 группы: холодное формование (холодная экструзия), теплая обработка и формование при низком давлении (теплая экструзия), тепловая обработка и формование при высоком давлении (горячая экструзия). При холодной экструзии происходит только механические изменения в сырье в результате его медленного перемешивания и формования через матрицу. Теплота трения, возникающая при экструзии, отводится через охладительную систему для того, чтобы предотвратить нагрев продукта. Холодная экструзия применяется главным образом при производстве макарон и различных кондитерских изделий. При тепловом методе экструзии наряду с механическим воздействием, сырье подвергается тепловой обработке. Дополнительно осуществляется нагрев внешним обогревателем.

        Высокое давление и температура приводит к частичной или полной клейстеризации крахмального сырья. Полученный продукт (экструдат) отличается небольшой плотностью, увеличеннымобъемом, пластичностью, пористым строением. Эти экструдаты, как правило, подвергаются дополнительной обработке, а именно, обжариванию, фритированию и т.д. Горячее экструдирование осуществляется при высоких нагрузках, давлении и температуре. Здесь имеет место регулируемый подвод тепла извне, как непосредственно в продукт, так и через стенки корпуса экструдера. Такая обработка приводит к различным по глубине изменениям в сырье. Относительно сухой материал (10-20 %) переходит в пластическую, способную течь массу и содержащийся в сырье крахмал почти полностью клейстеризуется. При выходе массы из матрицы, в результате внезапного падения давления и температуры, происходит взрывание продукта и разрыхление его структуры. Процессы, происходящие при экструдировании основные части установки представлены на рисунке 3.

Рисунок 3 - Схема установки и процесса экструзии материалов растительного происхождения

         Основными элементами шнекового прессующего механизма являются шнек и шнековый корпус (рисунок 3), а также матрица с формующими каналами и загрузочное устройство. Загрузочное устройство должно обеспечивать равномерную подачу прессуемого материала. Шнековый корпус и шнек образуют устройство, создающее давление, а матрица с формующими полостями служит для образования продукта определенной формы. Созданное давление экструдирует прессуемый материал через формующие полости. Обычно экструдированный продукт срезается с матрицы ножами.

Рисунок 4 - Геометрические параметры шнекового прессующего механизма

        Шнек прессующего механизма имеет на своей поверхности винтовые канавки, разделенные лопастями. (рисунок 4). Для повышения технологичности шнек иногда выполняют составным из участков с разным шагом и высотой лопасти. Толщина лопасти шнека должна находиться в определенных пределах. Тонкие лопасти приводят к возрастанию утечек между шнеком и цилиндром, а толстые лопасти увеличивают потребляемую мощность привода. Возможен перегрев материала, попадающего в зазор между цилиндром и лопастью шнека. Уменьшение диаметра шнека позволяет с одной стороны облегчить заполнение прессующего механизма прессуемым материалом, а с другой стороны, как показывает практика, увеличить давление прессования.

        Форма шнекового корпуса может быть либо цилиндрической, либо конической, сужающейся к матрице. Форма шнека повторяет форму корпуса. Цилиндрические шнековые корпуса намного технологичнее в изготовлении и эксплуатации и получили преимущественное распространение. Обычно внутренняя поверхность шнекового корпуса покрыта неровностями, препятствующими проворачиванию прессуемого материала. Неровности могут быть различной формы. Причем для каждой формы отмечены свои преимущества. Часто встречаются неровности в виде продольных канавок.     Однако при больших давлениях через эти канавки может создаваться большой поток утечек. Канавки могут быть нарезаны по винтовой линии в направлении нарезки витков шнека, либо в противоположном направлении. Если направления винтовой линии шнека и нарезки на шнековом цилиндре совпадают, интенсифицируются процессы смешивания прессуемого материала и, как следствие, его теплообмена с цилиндром. Если направление винтовых линий противоположно, лучше происходит отжим жидкой фазы из прессуемого материала.

        Зазор между шнеком и шнековым цилиндром сильно влияет на эффективность работы механизма. Увеличение этого зазора повышает утечки прессуемого материала, а уменьшение зазора увеличивает крутящий момент, создаваемый прессуемым материалом в этом зазоре. Матрица с фильерами - легкосъемная конструкция, располагается в опорной вертикальной плите, которая крепится к корпусу экструзионной камеры болтовыми соединениями, хомутами или накидной гайкой и имеет возможность поворачиваться вокруг вертикальной оси. Однако известны конструкции, например, где матрица закреплена на стержне шнека и вращается вместе с ним. Это позволяет использовать неподвижные ножи для отрезки прессуемого продукта. Однако неподвижные матрицы, закрепленные на шнековом цилиндре, более технологичны и надежны, поэтому используются чаще. Пространство между матрицей пресса и должно быть таким, чтобы в нем не образовывались зоны прилипания и застоя материала. Это требует использования обтекаемых поверхностей рабочих органов в таком пространстве.