Механические процессы.формообразование

Содержание.

Введение…………………………………………………………………………...3

I.Изучение, описание и анализ механических процессов на примере прессования………………………………………………………………………..4

II. Классификация оборудования для прессования……………………………15

III.Описание и расчет многопозиционного пресса для таблетирования……..18

Заключение……………………………………………………………………….33

Список литературы………………………………………………………………34

Приложение…………………………………………………………………...… 35

Введение.

    В пищевых производствах многочисленно используются механические процессы одно из них это формирование.

  Процесс формирования пищевых сред – один из самых сложных процессов пищевой технологии. Именно в этом процессе во всем многообразии проявляется весь диапазон физико-химических свойств формуемого материала. Поэтому конструктивное решение формующих машин полностью определяются технологическими свойствами соответствующей среды.

    Формованием называют технологический процесс придания перерабатываемому продукту определенной формы.

    Экструзией называется технологический процесс выдавливания жгутов перерабатываемой массы через формующие отверстия матрицы.

        Целью контрольно - курсовой работы является изучение процессов формования на примере экструдера, анализ и расчёт оборудования для него.

Задачи контрольно - курсовой работы: рассмотреть виды экструдеров, их схемы, основные характеристики, принцип их действия, выявить преимущества и недостатки, описать и рассчитать эктрудер.

I.Изучение, описание и анализ механических процессов на примере формирования

        Механические процессы в машинах и аппаратах пищевых производств основаны на законах механики твердого тела и реологических закономерностях деформирования пищевых сред. В зависимости от технологических свойств исходного сельскохозяйственного сырья можно различить следующие механические процессы: очистки от примесей, сепарирования и сортирования, очистки растительного и животного сырья от наружного покрова, измельчения пищевого сырья, сортирование и обогащение сыпучих продуктов, смешивания и формирования высоковязких и сыпучих пищевых сред.[5]

        К механическим процесса относится :

- Измельчение, распыливание  и шлифование

- Обработка давлением

- Разделение сыпучих сред

- Перемешивание пищевых  сред.

Рассмотрим каждый процесс  подробнее.

Измельчение, распыливание и шлифование.

        Измельчение – разделение твердых тел на части под действием механических сил. Если образующиеся в процессе измельчения имеют случайную форму, то такой процесс называют дробление, если им придается определенная форма – резанием.

        Дробление классифицируют по характеру основной реализуемой деформации на дробление при помощи удара, раздавливания, раскалывания, истирания, разрыва и изгиба. Реальные процессы дробления зачастую используют два или более из этих способов : сжатие с ударом, удар и истирание и др. В таблице 1 приведены характерные размеры частиц до и после дробления для разных его типов.

 Таблица 1. Характерные размеры частиц для разных типов дробления.

       Резание – разделение материала с приданием ему заданной формы, размеров и качества поверхности. Устройства для резания классифицируют:

  по назначению – для резания хрупких, твердых, упруговязкопластичных, и неоднородных материалов;

  по принципу действия- на периодические, непрерывные и комбинированные;

   по виду режущего инструмента – на пластинчатые, дисковые, струнные, гильотинные, струйные, ультразвуковые и лазерные.

  по характеру движения режущего инструмента – с вращательным, возвратно-поступательным, плоскопараллельным, поворотным и вибрационным движением;

   по характеру движения материала при резании и по виду его крепления.

       Распыливание жидкости выполняют форсунками (жидкостными или газожидкостными) и центробежными распылителями.

       Жидкостные форсунки. В жидкостных форсунках жидкость закручивается одним из возможных методов и на выходе из сопла движется по поверхности увеличивающейся площади, в результате чего ее пленка утончается и распадается на капли.

       Центробежная форсунка состоит из цилиндрической камеры закручивания, плавно переходящей в сопло. Жидкость вводится в камеру закручивания в тангенциальном направлении через отверстия радиусом r_вх, относящие от оси форсунки на расстояние R_вх. Двигаясь далее по камере закручивания, она отклоняется ее стенками от прямолинейного направления и закручивается. Переходя на меньший радиус вращения в сопле r_c, жидкость увеличивает тангенциальную составляющую скорости, сохраняя при этом момент количества движения.

       Пневматические (газожидкостные) форсунки. Их применяют для распыления высоковязких и двухфазных жидкостей, а также повышения мелкости распыла обычных жидкостей.

       Центробежные распылители. Они представляют собой плоские диски диаметром 100…500мм, вращающиеся в горизонтальной плоскости с частотой 4000…20000 об/мин так, что окружная скорость на максимальном диаметре составляет около 60 м/с. На поверхность дисков подается распыляемый продукт. При сходе с диска частицы жидкости движутся под действием инерционной центробежной силы и силы веса. В результате распыляемые частицы оказываются на параболоиде вращения, а занимаемая ими площадь увеличивается по мере удаления от диска. Распределение жидкости на этой площади приводит в начале к уменьшению толщины пленки, а потом к её распаду на отдельные струи и капли. Энергия затрачиваемая на распыливание по данному механизму, приближенно равна энергии, затрачиваемой на сообщение жидкости окружной скорости:

       Шлифование применяют для удаления относительно тонких поверхностных слоев материала с зернистых или штучных твердых продуктов округлой формы: корнеплодов, зерна, зерновых крупок, и др. цель шлифования корнеплодов – удаление их поверхностных слоев. Соответственно шлифование зернопродуктов имеет целью их шелушение или сглаживание поверхностных выступов.

       Шлифование осуществляется в результате трения частиц материала друг о друга и о абразивные поверхности машин. Прижатие частиц материала друг к другу или твердым поверхностям осуществляется центробежными, массовыми и другими силами путем соотвествующей организации движения в полостях машин. Для лучшего удаления поверхностного слоя зерно увлажняют, сохраняя эндосперм более сухим. При этом удаляемый слой становится более эластичным, а его связь с эндоспермом ухудшается. Снижение прочности поверхностного слоя корнеплодов достигается обработкой щелочного раствора, острым паром и газами высокой температуры.[5]

Обработка давлением.

         Обработка давлением заключается в сдавливании материала, что придает ему требуемую форму или вызывает деформацию внутренних структур с относительным сдвигом слоев.[5]

        Процессы, в которых реализуется сдавливание материалов, можно разделить на две группы: прессование и формообразование.

        Прессование заключается в сдавливании обрабатываемого материала с помощью пресса. При этом достигается либо отжим жидкости из влажного кашицеобразного или твердого тела, либо связывание сыпучих материалов в более крупные образования. В последнем случаи процессы прессования называют также брикетированием, гранулированием, таблетированием.

        Отжим жидкости из материала. Происходит вследствие уменьшения занимаемого из суммарного объема. При этом размеры пустот и пор в нем уменьшаются, а жидкая составляющая материала все более их заполняет. В этот период давление жидкости в порах не увеличивается. Дальнейшее сдавливание приводит к росту давления жидкости в материале. Под его воздействием жидкость вытекает через поры наружу. Такое течение подчиняется закону Пуазейля :

        Связывание сыпучих материалов в более крупные образования. Реализуется в процессах их сдавливания в закрытых формах при наличии или отсутствии связующего материала.

       Явление связывания отдельных частиц заключается в сближении молекул, находящихся на поверхности сдавливаемых частиц, и образовании между ними молекулярных связей. Важнейшее влияние на это явление оказывает состояние поверхностей сближаемых частиц. Их поверхность может быть чистой, не содержащей пленок, отличающихся по химическому составу от основного материала части, а может быть покрыта загрязняющими пленками. Поверхностные пленки могут как препятствовать связыванию частиц, так и способствовать ему. В последнем случаи их называют связывающими, а материал, из которого они состоят, связующим материалом.

      Окатывание – обобщенное название способов перемешивания.

      Дражирование – разновидность адагезионного гранулирование окатыванием. В процессе дражирования семена, зерна, орешки, изюм, цукаты или ядра будущих драже перекатываются в адгезионном барабане и на них наслаиваются оболочки какао, сахарной пудры и др.

       Гранулирование из растворов, суспензий и пульп обычно осуществляют в двухфазных потоках из гранулируемого вещества и газообразного сушильного агента. Этот процесс осуществляется либо в псевдоожиженном слое, либо во встречных закрученных потоках. В обоих слачаях подсушиваемые частицы суспензий или пульп слипаются при достижении приемлемой для этого влажности, и на их поверхность налипают новые частицы до тех пор, пока они находятся во взвешенном состоянии в потоке газа. При достижении определенных размеров частицы выпадают из взвешенного состояния вследствие увеличения их массы. Выпавшие частицы отводят как готовый продукт.

        Брикетирование и таблетирование, как и гранулирование, характерны тем, что к исходному сыпучему материалу добавляется вода или другая жидкость в качестве связующего и полученная масса вдавливается пуансонами в замкнутую матрицу или продавливается через отверстия, играющую роль матрицы. Полученные продукты подсушивают для удаления теперь уже не нужной воды.[5]

        Формообразование является процессом предания материалам желаемой формы и реализуется в операциях штампования, выдавливания, прокатывания, округления, закатывания и др.

        Формообразование как процесс придания материалам желаемой формы может осуществляться как путем замкнутых формообразующих объемов, так и цилиндрическими силовыми воздействиями на поверхность отдельных кусков материала.

         Замкнутые объемы или формы, используемые для формообразования, обычно изготавливают разъемными, а их части называют матрицами и пуансонами. После вдавливания материала с помощью пуансона в матрицу отформованный таким образом материал выталкивается из нее. Такой процесс называют штампованием. Если же материал в виде непрерывного жгута протягивается через фигурные отверстия детали, которая также называется матрицей, то такой процесс называют нагнетанием или выдавливанием. Методом выдавливания изготавливают, например, макаронную продукцию, конфетные жгуты, сырки и т.п.: методом штампования : печенья, вафли, пряники, конфеты и др.

        Формообразование  путем воздействия на поверхности кусков изделий реализуется при прокатывании листов теста, округлении тестовых заготовок да шарообразной или удлиненной цилиндрической формы, закатывании начинки в листовые тестовые заготовки и т.п.

        Основное явление, определяющее специфику формообразования пищевых материалов – релаксация напряжений в полимерных материалах. Физическая его сущность заключается в следующем.

        В соответствии с представлениями о строении полимерных материалов длинные молекулы полимеров скреплены одна с другой относительно редко расположенными поперечными связями. Это дает возможность частям молекул, расположенным между точками их связи, при сохранении целостности материала перемещаться в пространстве т.е. могут возникать большие упругие деформации. Вследствие этого при формировании такого материала после исчезновения внешней нагрузки, под воздействием которой он заполнил пространство матрицы штампа, изделие может частично или полностью вернуться к исходному недеформированному состоянию, при этом форма, приданная ему штампом, потеряется, а выдавленный на его поверхности рисунок расплывется и станет нерезким.

        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.