食品机械考研资料

第4章粉碎机械与设备粉碎:利用机械的方法使固体物料由大块分裂成小块直至细粉的操作。根据所处理食品物料尺寸的不同，通常将粉碎分为破碎和粉磨。破碎：将大块物料处理成小块物料粉磨：将小块物料加工成为细粉的过程4.1粉碎机械的基本知识一、粉碎的概念二、粉碎的目的（1）有利于不同组分物料的均匀混合。混合物料所用的各种原料的粒度越小、越接近，混合的均匀度越高，效果越好。（2）选择性破碎，以分别进行不同成分的利用、剔除或分离。例如玉米的脱胚、小麦的制粉、淀粉的制取等。（3）破坏细胞壁结构，便于胞内产物排出，如淀粉和蛋白的提取。（4）增大比表面积．加快反应速度三、粉碎的方法1、食品原料的粉碎方法(1)压碎(挤压）：物料置于两个粉碎面之间，施加压力后物料因压应力达到其抗压强度极限而被粉碎。(2）劈碎（剪切）：用一个平面和一个带尖棱的工作表面挤压物料时，当劈裂平面上的拉应力达到或超过物料拉伸强度极限，物料沿压力作用线的方向劈裂。(3)折断（弯曲折断）：被粉碎的物料相当于承受集中载荷的两支点或多支点梁，当物料内的弯曲应力达到物料的弯曲强度极限时被折断。(4)磨碎（研磨）：物料与运动表面相互运动时，物料表面受一定的压力和剪切力的作用，当剪应力达到物料的剪切强度极限时，物料被粉碎。(5)冲击破碎（撞击）：物料瞬间受到外来的冲击力而粉碎，它对于粉碎脆性物料最有利。2.物料的力学性质包括四种:硬度、强度、脆性和韧性。（1）硬度：是根据物料弹性模量大小来划分的性质，有软硬之分。硬度越高表明物料抗弹性变形的能力越强。物料的硬度是确定粉碎作业程序、选择设备类型和尺寸的主要依据。(2)强度：是根据物料弹性极限应力的大小来划分的性质，有强和弱之分。物料的弹性极限应力越强其抗塑性变形的能力越大。(3)脆性：是根据物料塑性区域长度进行划分的性质，可分为脆性和可塑性。(4)韧性：是一种抗物料裂缝扩展能力的性质，韧性越大，裂缝末端的应力集中越容易得到缓解。选择粉碎方法时，需要根据被粉碎的物料的物理化学与所要求的粉碎比而定，尤其是物料的力学性质影响较大，其中物料的硬度和破裂性居于首要位置。对比较坚硬的物料选用挤压和冲击有效，对韧性物料用研磨和剪切较好，而对于脆性物料则以劈裂、冲击为宜。3.物料在粉碎过程中变化物料粉碎至少需要两方面的能量：一是裂解发生前的变形能，这部分能量与颗粒的体积有关；二是裂解发生后出现新表面所需的表面能，这部分能量与新出现表面积的大小有关。由于脆弱的断裂线和瑕疵点对粒度较大的颗粒存在可能性大，因此大颗粒裂解所需的临界应力比小颗粒小，消耗的变形能也较少。这就是粉碎操作为什么随着粒度减小而变得更加困难的原因。如果作用力没有超过物料的弹性极限，物料则只是被迫变形或受到压力。当此力被除去时，颗粒即恢复到原来的状态，而变形颗粒中的应力机械能以热的形式表现出来。当作用力超过弹性极限时，颗粒则会被粉碎。对任何一种物料的颗粒，都存在一个临界粉碎能量，但粉碎的条件是偶然的，许多颗粒受到的冲击力不足以使其粉碎，而是在特别有力的猛烈冲击下才能粉碎。因此，最有效的磨碎机只利用了其中很少的能量去粉碎颗粒和使物料产生新表面，其余的能量则消耗在以下几方面:①未破碎颗粒的弹性变形；②物料在粉碎室内的来回运转；③颗粒之间的摩擦；④颗粒和磨碎机之间的摩擦；⑤发热；⑥振动的噪声；⑦传动机件和电动机的无效能耗。粉碎的能耗物料粉碎时，外力做的功称为粉碎能耗或粉碎能，消耗于以下几方面:(1）粉碎机械传动中的能耗；(2）颗粒在粉碎发生之前的变形能；(3)粉碎产品新增加表面积的表面能；(4)颗粒表面结构发生变化所消耗的能，如产生表面活性点、表面形成无定形层或氧化物层；(5)晶体结构发生变化所消耗的能；(6)磨介之间的摩擦、振动及其他耗能。四、粉碎比意义：衡量粉碎机的粉碎效果。平均粉碎比公称粉碎比：允许的最大进料口尺寸与最大出料口尺寸之比。二者关系：由于实际粉碎时加入物料的最大尺寸总是小于最大进料口尺寸，所以粉碎机的平均粉碎比一般小于公称粉碎比。平均粉碎比＝（70%-90%）公称粉碎比粉碎比是确定粉碎工艺以及选用粉碎机的重要依据。一般破碎机械的公称粉碎比为3-10,而粉磨机械则可达30-1000以上。当工艺要求的粉碎比较大时，常采用多级粉碎，使每一级负担一定的粉碎比。实验证明，粉碎级数在4左右时操作效率最高，而粉磨时的粉碎比则需根据粉磨机械的性能来确定。多级粉碎的总粉碎比为：五、粉碎的级数湿法粉碎：被处理的原料在悬浮于载体液流中进行磨碎，常用水做载体，水起着硬度降低剂的作用。也可以采用其他表面活性剂做硬度和粘度降低剂。湿法粉碎比干法粉碎消耗能量大，设备磨损严重，但可获得更细的制品。干法粉碎：开路粉碎、自由磨碎、压碎等不需要水做载体的粉碎方法。低温粉碎：指物料在常温下有热塑性或非常强韧性，使粉碎困难，故将物料冷却到低温成为脆性后再粉碎。六、粉碎机类型按成品粒度分为普通粉碎机(成品粒度＜80目)微粉碎机(80％成品粒度＞80目)超微粉碎机(成品平均粒度＞200目)1、冲击式式粉碎机这类粉碎机主要有两种类型，即锤片式粉碎机和齿爪式粉碎机。它们是以锤片或齿爪在高速回转运动时产生的冲击力来粉碎物料的。4.2干法粉碎机械4.2.1粗碎机械利用高速旋转的锤片对物料施以强烈作用而将物料粉碎的机器。其作用原理主要是撞击粉碎，同时机器中还存在着强烈的摩擦和剪切作用。锤式粉碎机既可以用作脆性物料的粉碎，也可以用作一些韧性物料的粉碎，故常被称为万能粉碎机。以锤式粉碎机为例：（一）结构：粉碎室齿板转子锤片筛板风机沉降设备1、主要部件（1）锤片锤片的形状尺寸、排列方式对粉碎机的性能有很大影响。锤片的基本形状有8种:锤片在转子上的排列方式会影响转子的平衡、物料在粉碎室内的分布以及锤片磨损的均匀程度。锤片工作应遵循以下原则：①锤片的运动轨迹尽可能不重复。沿粉碎室工作宽度，锤片的运动轨迹分布均匀，物料不被推向一侧，有利于转子的动平衡。②锤片安装时要使转子轴线对称方向的锤片质量也处于对称状态，力求减小振动和噪声。（2）筛板筛板是锤式粉碎机的排料装置，一般用厚的优质钢板冲孔制成。通常设在转子下半周的位置。为了提高粉碎机的排料能力，也可使筛板占整个粉碎室内周面积的3/4以上，或是将筛板置于粉碎室侧面。筛孔的形状和尺寸是决定粉料粒度的主要因素，对机器的排料能力也有很大的影响。筛孔的形状通常是圆孔或长孔。筛孔的直径一般分为四个等级，小孔，中孔，粗孔，大孔以上。齿（筛）锤的间距（3）粉碎室型式按粉碎机的进料口位置及进料方向分：切向喂料式、轴向喂料式和径向喂料式。切向进料式粉碎机轴向进料式粉碎机径向进料式粉碎机按转子的数目分为：单转子式锤碎机和多转子式锤碎机。2、锤式粉碎机的主要性能参数（1）粉碎比锤式粉碎机有很高的粉碎比，单转子式锤碎机的粉碎比在10～15之间。（2）转子的转速锤式粉碎机的转速取决于锤片破碎物料时所需的动能。因此，转速的大小与锤片的质量有关，质量越大，则其破碎能力越强，但旋转时的离心力也越大。故锤片及其圆周速度的增大受到粉碎机零件强度的限制。单转子式锤碎机的圆周速度为40-50m/s，转子的转速为700-1300rpm。（3）生产能力锤式粉碎机的生产能力与转子的长度、筛板的孔隙大小、锤片的质量、转速、粉碎比、加料情况及物料的性状有关。（4）功率消耗经验公式估算：(2)爪式粉碎机爪式粉碎机由进料斗、齿轮盘转子、定齿盘、包角为360°的环形筛网及出粉管等组成。定齿盘上有两圈定齿，齿的断面呈扁矩形；动齿盘上有3圈齿，其横截面是圆形或扁矩形。该机特点是结构简单、生产率较高、耗能较低，但通用性差，噪声较大，常用于饲料粉碎等操作。工作时，动齿盘上的齿在定齿盘的圆形轨迹线间运动。当物料沿喂料斗轴向喂入时，受到动、定齿和筛片的冲击、碰撞、摩擦及挤压作用而被粉碎，同时受到动齿盘高速旋转形成的风压及扁齿与筛网的挤压作用，使符合成品粒度的粉粒体通过筛网排出机外。动齿的线速度为80～85m/s，动、定齿间隙为3.5mm左右。2.压碎机械鄂式压碎机：主要利用挤压作用力来进行粉碎。在工作时，由电动机通过皮带拖动飞轮5旋转一周→偏心轴6带动推动板9曲伸一次→推动活动牙板4使之摇摆一次，这时处在活动牙板4与固定牙板2之间的轧压空间内的物料受此摇摆运动的嚼轧而被粉碎。粉碎后的物料从下方排出。结构及工作过程：工作原理：主要是凭借离心锤击与劈裂的作用而将物料粉碎。高锰钢制成的锤头铰接在固定于旋转轴的圆盘上。当主轴高速旋转时，有离心锤击力将物料粉碎。粉碎物料通过机壳内的滤筛从排出口排出；不能通过滤筛的物料，则再次被锤击粉碎。4.2.2中碎机械这种粉碎机适合加工块根类食物以及中等脆性物料。1、锤碎机这是由两个直径相等的圆滚筒所构成，左侧滚筒由电机驱动，另一个滚筒安装在一组可以沿轴心连线方向做少许滑动的轴承座上，并在滚筒的右侧装有调节弹簧。弹簧的作用是，当加入较硬的物料时，使右侧滚筒能自动避让，而起到保护设备的作用。2、双滚筒压碎机3、辊式粉碎机使用广泛，最常见于面粉工业、啤酒麦芽的破碎。原理：利用两个表面加工有齿形结构(或光辊）并做差速转动和等速转动（挤压）的转辊进行研磨粉碎。（一）辊式磨粉机的基本结构和工作过程结构组成：由机架、成对磨辊、喂料机构、松合闸机构、辊面清理装置、传动机构及吸风装置等组成。1）磨辊磨辊分为光辊和齿辊两种基本类型。光辊外表面为经研磨加工的光滑圆柱面，齿辊表面有一定斜度的齿状条纹。齿辊研磨作用强烈、磨出物疏松、粒度差别明显、能耗少等优点。为实现磨辊对于物料的研磨，磨齿与物料间必须保持不同的运动速度，因此每对辊中的两磨辊的转速并不相同，通常称转速较高的磨辊为快辊，较低的为慢辊。一般快、慢辊的速比采用2.5：12）轧距调节两磨辊辊面间的最小距离称为轧距，调节轧距可以控制被粉碎物料的粒度。当磨粉机空载时，为避免高速相向旋转的两磨辊互相摩擦、碰撞，轧距应放大，称为松闸；当磨粉机负载时，两辊间隙应回到调定的轧距，称为合闸。一般辊式磨粉机要求松、合闸和喂料机构的操作联动；有物料时，通过物料传感器使喂料机构先运转，物料进入两辊之间后再合闸；断料时，先松闸，再使喂料机构停止。这样不仅防止两辊碰撞产生火花，引起粉尘爆炸，而且避免齿辊表面的磨损。每个磨辊下方均设有辊面清理装置清理粘附物料。齿辊一般采用硬毛刷清理。毛刷安装在可调的弹簧座上，用弹簧将毛刷压紧在辊面上；光辊一般采用刮刀清理。刮刀安装在铰支的杠杆上，靠配重使刮刀紧贴在辊面上。当磨粉机停车时，用一根金属链将配重拉起，使刮刀离开辊面，以避免接触处的腐蚀。3）辊面清理4）吸风装置通风系统工作时，机膛始终处于负压状态。吸风装置起到吸收粉尘、降低粉温和辊温、排除湿气的作用。空气从上磨门的两条进风缝隙进入机膛内，绕过上磨辊与上撑挡之间的空间，穿过磨下物进入吸风道，起到吸收粉尘、降低粉温和辊温、排除湿气的作用。（二）辊式磨粉机的特点及主要形式1）辊式磨粉机的特点（1）适合热敏性物料的粉碎对辊的轴线相互平行，同时磨辊的线速度较高，两辊间所形成的粉碎区很短，因而物料通过粉碎区的时间短，避免了粉碎过程中因物料温升过高而导致蛋白质热变性。（2）可控制物料粉碎的粒度通过调整轧距来控制物料粒度，避免过度粉碎，节省能源，保证粉碎质量。（3）能够进行选择性粉碎。通过选择快慢辊速差、磨辊表面几何形状和参数、一次粉碎比，辊式磨粉机能够实现对物料的选择性粉碎。（4）粉碎过程稳定，便于控制。由于对辊表面上每一点的几何参数和运动参数均相同，整个粉碎区的工作条件一致，故而粉碎过程稳定，也便于控制并实现自动化生产。2）辊式磨粉机的型式（1）等速旋转的光辊以挤压的方法粉碎物料或使物料挤压成片状。典型设备是轧麦片机、轧米片机等。（2）差速旋转的光辊以挤压和研磨的方法粉碎物料。典型设备是面粉生产的心磨系统中使用的光辊磨粉机和巧克力精磨机等。（3）差速旋转的齿辊（选择性粉碎）以剪切、挤压和研磨的方法粉碎物料。典型设备