食品机械与设备4

第四章混合和搅拌及均质机械与设备本章节大纲•第一节概述•第二节液体搅拌机械•一、搅拌装置•二、搅拌器构造与安装形式•第三节粉料混合机械•一、固定容器式粉料混合机的结构和工作过程•二、回转容器式混合机•第四节均质机•一、高压均质机的工作原理及作用•二、胶体磨的工作原理•三、高剪切均质机的工作原理第一节概述一、概念搅拌均质混合指借助于流动中的两种或两种以上物料在彼此之间相互散布的一种操作，其作用可以实现物料的均匀混合、促进溶解和气体吸收、强化热交换等物理及化学变化指借助于流动中产生的剪切力将物料细化、将液滴碎化的操作，其作用是将食品原料的浆、汁、液进行细化、混合、均质处理，以提高食品的质量和档次指使两种或两种以上不同的物料从不均匀状态通过搅拌或其他手段达到相对均匀状态的过程。混合是食品加工工艺过程中不可缺少的单元操作之一二、搅拌混合机理（一）对流混合（二）扩散混合（三）剪切混合也称为体积混合或移动混合，对于工作不相溶组分，依靠搅拌装置的运动部件或重力，使物料各部分作相对运动。其混合均匀程度并不太高，对粉料和液料都是如此。指互溶组分中存在的混合现象，实际上完全不互溶组分是不存在的，在混合过程中有一个由对流混合到扩散混合的过渡，主要取决于分散尺度的大小主要因剪切力的作用，物料组分被拉成愈来愈薄的料层，使某一种组分原来占有区域的尺寸愈来愈小第二节液体搅拌机械一、搅拌设备搅拌设备就是通过使搅拌介质获得适宜的流场而向其输入机械能量的装置。主要由搅拌装置、搅拌罐和轴与轴封三大部分组成传动装置：赋予搅拌装置及其他附件运动的传动件组合体。要求传动链短、传动件少、电机功率小，以降低成本。搅拌轴及搅拌容器转轴处的密封装置。为避免食品污染，轴封的选择必须给予重视。容纳搅拌器与物料在其内进行操作。对于食品搅拌容器，除保证具体的工艺条件外，还要满足无污染。易清洗等专业技术要求。其作用是通过自身运动使搅拌拌容器中的物料按某种特定的方式运动，从而达到某种工艺要求。这种特定方式的流动（流型）是衡量搅拌装置性能最直观的重要指标。液体的“流型”分为轴向流型、径向流型及在容器侧壁加设档板等阻挡物引起液流方向变化而形成的各种混合流型。流型取决于叶片的几何形状和结构以及在容器内有无阻挡物等。叶片造成的液流有三个分速度：轴向速度、径向速度和切向速度。二、搅拌器构造与安装形式（一）搅拌器的类型和安装形式1、类型：①小面积叶片高速运转的搅拌器②大面积叶片低速运转的搅拌器涡轮式、旋桨式搅拌器等，多用于低粘度的物料搅拌器有框式、垂直螺旋式的搅拌器等，多用于高粘度的物料常用圆盘涡轮式搅拌器弯叶可拆圆盘涡轮---WCY弯叶可拆对开圆盘涡轮式---WKY弯叶圆盘涡轮式---WY弯叶对开圆盘涡轮式---WDY框、锚式搅拌器KSB-纯锥底框式KSA-直锥底框式KS-椭圆底框式TS-搪玻璃专用锚式MS-锚式2、安装形式1）立式中心搅拌安装形式搅拌轴与搅拌器配置在搅拌罐的中心线上、呈对称布局，驱动方式为皮带传动或齿轮传动或者通过减速传动，也有用电机直接驱动的。其搅拌设备功率可以从0.1kw至数百千瓦，常用的功率范围为0.2～22kw。一般划分为，功率小于3.7kw为小型，5.5～22kw为中型，大于22kw为大型2）偏心式搅拌安装形式将搅拌器安装在立式容器的偏心位置，这种安装形式能防止液体在搅拌器附近产生涡流回转区域，其效果与安装挡板相近似。但偏心搅拌容易引起设备在工作过程中的振动，一般此类安装形式只用于小型设备上。将搅拌器直接安装在罐体上部边缘处，用夹板或卡盘与圆筒边缘夹持固定，搅拌轴斜插入容器内进行搅拌。3）倾斜式搅拌安装形式适用于搅拌容器比较简单的圆筒形结构或方形敞开式搅拌设备，可防止产生涡流。这种安装形式的搅拌设备比较机动灵活，使用维修方便，结构简单、轻便，一般用于小型设备上。4）底部搅拌安装形式其搅拌器安装在容器底部。此外，搅拌器安装在下部封头处，有利于上部封头处附件的排列与安装，特别是在上封头带夹套、冷却构件及接管等附件的情况下，更有利于整体合理布局。其底部出料口能得到充分的搅动，使输料管路畅通无阻，有利于排出物料。此类搅拌设备的缺点是桨叶叶轮下部至轴封处常有固体物料粘积，容易变成小团物料混入产品中影响产品质量。5）旁入式搅拌安装形式将搅拌器安装在容器罐体的侧壁上，在消耗同等功率的情况下，能得到最好的搅拌效果。这种搅拌器的转速一般在360～450r／min，驱动方式有齿轮传动与带传动两种。该设备主要缺点是轴封比较困难。旋桨与容器中心线夹角70-120旋桨与容器中心线夹角为大于120旋桨与容器中心线相垂直（二）搅拌器的构造1．平桨式搅拌器桨叶一般采用不锈钢或扁钢制成。其联接形式有四种如图：对于小型桨叶常加工成整体焊接形式，为不可拆卸结构，这种结构制造方便，但强度不大，不能拆换桨叶，常用于小直径容器中。为螺栓连接方式，依靠桨叶与轴的摩擦力带动桨叶旋转。这种结构拆卸方便，但功率大时容易产生打滑现象而不能正常运转，多用于小功率设备中。结构是b型结构的改进型，把圆轴改成方轴，这样可克服打滑现象，但轴的加工困难。为键连接方式，它兼有以上几种结构的优点，被广泛采用。2．框式与锚式搅拌器其外形轮廓与容器壁形状相似，底部形状为适应罐底轮廓，多为椭圆或锥形等。3．涡轮式搅拌器涡轮式搅拌器的叶片较多，转速高，结构比桨式复杂，种类较多。可分为开启涡轮式与圆盘涡轮式两种4．旋桨式搅拌器桨叶形状与通常使用的推进式螺旋桨相似，所以又称为推进式搅拌器。实质上，桨叶是螺旋面的一部分，沿着桨叶长度方向不同截面处的升角是逐渐变化的。5．螺带式与螺杆式搅拌器由一定宽度的带材或圆柱棒材制作成螺带形状。它可以有单条或双条螺带结构。一般螺带的外廓尺寸接近容器内壁，使搅拌操作遍及整个罐体。用支撑杆件使螺带固定在搅拌轴上。每个螺距设置杆件2～3根。支撑杆一端与螺带焊接，另一端夹紧在搅拌轴上，也可以采用支撑杆与轴的键连接的形式。6.行星式搅拌器工作时，桨叶一方面绕容器旋转，另一方面，桨叶本身绕轴自转第四节调和机主要加工高粘度糊状、膏状物料及粘滞性固体物料。一、调和机理目的是获得均匀的混合物。桨叶搅拌形成的局部物料运动不能波及整个容器，主要利用剪切混合机理：桨叶移动产生剪切力，将物料拉延撕裂，同时这部分物料受搅拌桨叶推挤而被压向邻近物料，千百次折叠、包裹，如此反复，经过一段时间强制均匀混合，得到合格产品。特点：1、混合时间长2、工作容量小，消耗功率大。3、桨叶与调和机容器壁间隙大小及桨叶形状对调和效果影响很大。4、调和操作若伴有传热过程，降低传热能力，恶化操作性能。二、调和机分类按调和容器轴线位置：立式和卧式按搅拌轴数量分：单轴式、多轴式按工作情况分：间歇式、连续式按用途分：打蛋机、调粉机按搅拌桨转速分：高速、低速三、打蛋机(一)工作原理工作时，搅拌器高速旋转，强制搅拌，被调和物料充分接触并剧烈摩擦，从而实现混合、乳化、充气及排出部分水分的作用。(二)打蛋机结构及主要零部件一般由搅拌器、容器、传动装置及容器升降机构等组成。1、搅拌器(分为搅拌桨和搅拌头)(1)搅拌浆钩形搅拌桨、网形搅拌桨和鼓形搅拌桨(2)搅拌头2、轴封(防止搅拌头内传动机构中的润滑油漏入容器内)3、调和容器4、机座第五节高压均质机一、概述(一)、往复泵的工作原理1、组成：输送液体的泵体部分和将原动机的能量传给活塞的传动机构。工作过程：吸入和排出2、动力往复泵活塞运动规律X=CA=CO-AO=CO-BOcosα=r(1-cosα)活塞移动速度为：v=dx/dt=rsinαdα/dt因dα/dt=ω=常数所以v=rωsinα泵的瞬时流量为：qv=A.v=Arωsinα由此可知泵的流量变化是随转角α的正弦规律变化3、流量比较单作用往复泵双缸单作用泵，即具有大小相等的两个活塞，由相差180度的曲柄带动的往复泵，可连续输运液体，仍然不均匀。三缸时其曲柄互成120度，既可连续输液体，流量又较均匀。4、流量调节往复泵的流量与排出压力无直接关系，只与活塞的面积，行程和往复次数有关，因此，在任何排出压力下其流量基本上是不变的。二、高压泵及均质机均为三柱塞往复泵，前者在排出口安装的是安全阀，当压力过高时可使液体回到吸入口，后者为均质阀，液体通过后恢复至常压。(一)主要结构主要由泵体、均质阀或安全阀、电动机、传动机构与机架几个部分组成。泵体均质阀泵阀三柱塞式往复泵1、泵体作用：是随着柱塞往复运动而周期的开启和关闭，完成吸入和排出过程，实验对物料的输送。2、泵阀（吸入阀和排出阀）泵阀应备的基本要求：1、工作平稳，开启及时，关闭速度和关阀滞后角均不应大于允许值，以减小关闭冲击和回流损失。2、密封可靠，以避免或尽可能减少泄漏损失。3、水力损失小，否则会影泵的效率和其他水力特性。4、具有足够的强度，刚度，以确保在一定的工作压力上可靠工作，具有较长的使用寿命。5、结构简单，装拆、维修方便，互换性好组成：由阀座、阀板、导向柱、弹簧和升程限制器等组成。分类：根据开闭方式：自动阀和强制阀。根据阀板的形状特点：盘形阀、球阀和环形阀等大多为自动开启及自动关闭，利用重力的自动阀称为重量阀，利用弹簧力的自动阀称为弹簧阀。阀板如盘状，根据阀板与阀座密封接触面的特点，可分为平板阀和锥形阀1、2、31、2、31、2、3组成：由阀座、阀杆和冲击环组成。材料：国外：钨钴铬合金－－用于牛奶均质时可保持良好的性能硬质合金－－磨蚀性强的液料国内：4Cr13类型：据均质阀、阀杆的工作端面的形状特点分为平面型和非平面型两大类。均质阀的使用3、均质阀图3-38(二)高压均质机的基本原理均质机是基于对物料的挤压、剪切、涡流、泄压、空穴作用，从而达到颗粒减小、分散均匀的目的。(三)常见故障1、流量不足，达不到工艺要求。2、压力表指针跳动严重。3、密封圈损坏。三、高剪切均质机(一)结构与特点1、结构2、原理3、特点工作时，转子叶片高速回转，在叶片作用下流入的液体通过窄小的缝隙，在很高的剪切力作用下破碎、分散、混合。(1)粒度可达到1µm以上；(2)稳定性好；(3)能耗低，对材质无特殊要求(二)分类可分为轴流式和径流式。1(三)均质机理比较1、宏观均质机理比较(1)剪切作用(2)撞击作用(3)空穴作用2、微观均质机理比较(四)均质效果均质的目的是分裂脂肪球。使其成微细状态分布于牛奶中，以免形成乳脂层。可以通过测定均质指数来检查牛奶的效果。四、胶体磨胶体磨与均质机都是以机械剪切力为主，进行乳化分散的乳化器。(一)原理与结构胶体磨属定转子系统。定转子为同轴构件。转子转速一般在1000～10000r/min，最高可达20000r/min按传动轴的空间安装位置可分为立式与卧式两种。(二)应用胶体磨用于冰淇淋、炼乳和奶粉等乳制品的生产。用于炼乳的生产，目的是粉碎炼乳中的脂肪球，防止炼乳在贮藏期易于上浮成“脂肪游离”。对于高粘度物料，胶体磨更加适宜。经加工后，组织状态均匀且有光泽。如生产可可饮料。