ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

 - деформация сжатия, мм.

- деформация сдвига, мм.

Р - напряжение, давление, перепад давления, Н, кг.

r - плотность, удельный вес, кг/м², т/м².

W - влажность, %.

t⁰ - температура, ⁰C, К

V₀ - скорость деформации.

G₁,G₂,G₃ - масса объектов измерения.

Т - сила трения, кг, Н.

N - сила нормального давления, кг, Н.

f - коэффициент трения.

f_п - коэффициент трения покоя.

f_с - коэффициент трения скольжения.

j - угол трения, град.

j_п - угол трения покоя, град.

j_с - угол трения скольжения, град.

J - момент инерции.

F - сила, кг, Н.

q - объемная масса, кг/м³.

r_n - насыпная плотность, кг/м³.

x - порозность.

x’ - пористость.

S_уд.об. - объемная удельная площадь поверхности, м²/кг, м^-1.

S’_уд.м. - объемная массовая удельная площадь, м²/кг. 

d - средний размер частиц, м, мм.

D_э - эквивалентный диаметр, м, мм.

М - модуль помола или средневзвешенный размер частиц.

d_i - средний размер отверстий двух смежных сит, мкм.  

f_C - статический коэффициент трения.

f_D - динамический коэффициент трения.

Т_у.р. - период упругого последействия расширения, ч, с.

t - время, с.

l - длина зерна, мм.

а - ширина зерна, мм. 

в - толщина зерна, мм.

V - объем зерна, мм³.

V₀ - суммарный объём пространств между частицами.

V_ß - объём частиц твёрдого вещества в слое.

V_уд - удельный объем зерна.

Е_п - энергия образования новых поверхностей, Дж.

DF_п - приращение поверхности, мм².

П - прочность брикета, %.
П - прочность зерна, кДж/м².

F_з - площадь внутренней поверхности зерна, мм².

f - сферичность зерна.

r_v - объемная масса зерна, г/л.

f_вн - коэффициент внутреннего трения.

s_т.д. - динамический предел текучести, МПа.  

s_п.д. - динамический предел прочности, МПа.

s_раз - предельное напряжение разрушения, Н/м², кг/см².

А_р-работа разрушения на единицу, вновь образованной поверхности,кг/см.

V_у.д. - скорость соударения зерна с рабочими органами, м/с.

К - коэффициент динамичности.

V_т - скорость релаксации, кг/(см² ∙с).

Т_рел. – время релаксации, с.

V_п – скорость нарастания ползучести, мм/с.

Z_ср.вз. – средневзвешенная зольность крупок первого качества, %.

Z_м – зольность муки  70%-ного выхода, %.

l - коэффициент теплопроводности, Вт/(м∙⁰С).

a - коэффициент температуропроводности, м²/⁰С.

С - удельная теплоемкость, кДж/(кг∙⁰С).

М – микротвердость, Па.

В_i - критерий Био.

F₀ - критерий Фурье.

k_i - критерий Кирпичева.

Lu - критерий Лыкова.

а_m - коэффициент диффузии влаги.

Bт - общее содержание витаминов.

В₁ - витамин В₁.

РР - витамин никотинамид.

Z – зольность, %.

t_отл - время отволаживания, ч.

t_пр - время пропаривания, с.

k - показатель отношения выхода продукта к его зольности.

И - извлечение муки первого качества, %.

И_кр - извлечение крупок и дунстов первого качества, %.

N - удельный расход энергии на размол муки, Вт∙ч/кг.

V - объемный выход хлеба, см³.

И_об - общий выход муки, %.

И_вс - выход муки высоких сортов, %.

 

ПРЕДИСЛОВИЕ

Сыпучие материалы занимают особое место в технологических процессах пищевых производств. Технологические машины обрабатывают в основном сыпучие материалы. В большинстве случаев исходный материал приводят в сыпучее состояние, обеспечивая тем самым удобство транспортировки, складирования, дозировки и выполнения технологических операций обработки. Проектируемые параметры рабочих органов определяются физико-механическими свойствами материала, зависящими от вида прилагаемой нагрузки (статическая, динамическая, знакопеременная), вида обрабатываемого материала и его состояния: влажности, температуры, испытываемого давления. Описанию этих свойств сырья и готовой продукции, обрабатываемой в сыпучем состоянии, и влиянию их на параметры проектируемых рабочих органов и машин и посвящена вторая часть данного пособия.

Предлагаемый учебный материал соответствует программе, составленной на основании государстенного образовательного стандарта по курсу «Машины и аппараты пищевых производств» и подается с учетом практического применения его в профессиональной деятельности будущего конструктора пищевых машин, специализирующиегося в направлении «Хранение и переработка зерна».

I глава посвящена описанию свойств сыпучих масс, определяющих технологический процесс и параметры машин и оборудования предприятий хранения и переработки зерна. Изложенные в данной главе вопросы носят общий характер и могут быть полезны студентам и других специальностей.

II глава посвящена описанию свойств зерна как объекта воздействия в процессе его переработки в мукомольно-крупяном  и  комбикормовом производствах.

III глава посвящена описанию наиболее важных физико-механических свойств маслосемян, определяющих конструктивные параметры технологических линий и параметров рабочих органов машин масличных производств.

Автор выражает глубокую благодарность выпускникам О.И.Малой, Н.Н.Лемеш, магистру И.В.Давиденко и студентам группы КП-5-26 Д.З.Иванову, группы КП-3-26 А.С. Голубову и С.Н.Чубаркину, группы КП-3-25 А.В.Шибанову, принявшим участие в оформлении рукописи.

Глава I. ОБЩИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ И СМЕСЕЙ

1.1. Классификация сыпучих материалов

Сыпучими называются такие материалы, которые состоят из частиц, между которыми отсутствуют молекулярные связи.

Свойства сыпучих материалов являются определяющим фактором осуществимости процессов сепарации, транспортирования, дозирования и других, которые широко применяются в пищевой промышленности. Обрабатываются, транспортируются, дозируются и расфасовываются в сыпучем состоянии: чай, зерно, крупы, какао, кофе, сахар, мука, макаронные изделия. Свойства сыпучих  материалов  изменяются в больших пределах. Достаточно сказать, что объемная масса q сыпучих материалов колеблется от 50 до 3000 кг/м³. Различаются такие материалы по гранулометрическому составу, по гигроскопичности, теплопередаче, свойствам поверхности и т.д.

Наиболее важными характеристиками сыпучих материалов, определяющими большинство их физико-механических свойств, являются объемная масса, размеры и форма частиц.  Вместе все эти характеристики определяют сыпучесть материалов. Наименее сыпучими являются порошки и пылевидные материалы. Кусковые и тяжелые материалы наиболее подвижны.

Сыпучесть материала обуславливает прохождение его через механизмы  технологических  машин и определяет конструкцию их основных узлов. По свойствам сыпучести все материалы можно разбить по группам, которые приведены в табл.1.1.

Таблица 1.1

Классификация материалов по сыпучести

N  гр.	Группа материалов	Размер частиц, мм	Объемная масса, кг/м3	Сыпучесть (текучесть)
1	Крупнокусковые	более 150	600 – 2500	Достаточная
2	Кусковые	50 – 150	500 – 2000	Достаточная
3	Мелкокусковые	10 – 50	400 – 1500	Достаточно хорошая
4	Зернистые	0,5 – 10	300 – 1500	Хорошая
5	Порошкообразные	0,05 – 0,5	200 – 1000	Затруднительная
6	Пылевидные	менее 0,05	100 – 500	Весьма затруднительная
7	Хлопьевидные	Волокна, чешуйки, хлопья	50 –300	То же

1.2. Основные характеристики сыпучих материалов,

определяющие их физико-механические свойства

Из многообразия свойств сыпучих материалов для выбора рациональных технологических процессов и конструктивных параметров рабочих органов наиболее важными являются объемная  масса и плотность материала, размеры, форма частиц, пористость частиц и порозность насыпного материала, угол естественного откоса,  слеживаемость и  комкуемость, склонность к сводообразованию, влажность, пыление, кородирующие свойства, склонность к самовозгоранию и ядовитость и др.

1.2.1. Объемная масса

Знание величины объемной массы q необходимо для определения основных размеров  технологических емкостей,  дозаторов,  весовых бункеров, впускных воронок и т.д. Размерность объемной массы выражается в кг/м³.

Различают объемную массу при свободной насыпке и для  уплотненного насыпного материала.

В технологических процессах насыпные материалы обычно направляются по  коммуникациям самотеком в свободно насыпанном состоянии, а подвергаются принудительному уплотнению лишь на некоторых конечных операциях при наполнении готовым продуктом тары (например, при развеске муки и затаривания ее в мешки). Поэтому основное внимание будет уделено объемной массе  материалов при свободной насыпке.

В зависимости от метода определения объемная  масса  может меняться, иногда в широком диапазоне.

Значения объемной массы для различных материалов приведены в табл. 1.2.

Поскольку за рубежом приняты другие единицы объёмной массы и описываемых далее характеристик, для удобства пользования материалами в прил.II даны единицы измерения, принятые в других странах, и также приводятся переводные коэффициенты для данных единиц измерения.

Таблица 1.2

Объемная масса сыпучих материалов

Материал	Объемная масса, кг/м3
Бобы	590 - 800
Вика	800 - 850
Винные ягоды	470
Горох	780 - 800
Гречиха	640 – 700
Груша	350
Жмыхи	650
Жом сухой	300
Зубной порошок	300
Какао бобы	610
Какао в порошке	510 - 720
Какао пудра	450
Картофель	640 - 770
Комбикорм рассыпной	350 - 650
Крахмал	370
Крупа гречневая	500 - 700
Крупа манная	600 - 800
Крупа овсяная	500 - 700
Кукуруза	700 - 750
Махорка	200
Мел дробленый	1400
Мел порошкообразный	1120-1200
Мох	140
Мука древесная	110 - 210
Мука пшеничная, в/с	550 – 600
Мука пшеничная, н/с	300 – 400
Мука ржаная, в/с	450 – 500
Мука ржаная, н/с	300 – 400
Мука овсяная	450 – 640
Мука ячменная	580
Овес	390 - 500
Опилки древесные	160 - 300
Отруби	180 – 440
Песок речной	1650
Подсолнух	380 – 420
Окончание табл.1.2
Материал	Объемная масса, кг/м3
Пробка в кусках	100 - 240
Пробка порошкообразная	80
Просо	660 – 850
Пуццалан	1150-1230
Пшеница	650 – 810
Пшено	500 - 700
Рис	500 – 700
Рожь	650 - 790
Рыба мелкая	850
Сахар песок	720 – 800
Сахар рафинад	880
Свекловица	600 - 700
Семя конопляное	480 – 560
Семя льняное	650 – 750
Семя свекловичное	270 – 300
Семя хлопковое	400
Сено	100 – 450
Слива	350
Сода кальцинированная	500 – 1200
Солод	320 – 560
Солома	45 – 100
Соль каменная	1000-2200
Соль поваренная	1250
Соя в зернах	720
Толокно	600 - 800
Уголь древесный	120 – 250
Цикорий	390 - 640
Чай листовой	285 – 350
Чай мелкий	350 – 425
Чечевица	700 - 850
Шроты	450
Яблоки	350
Ячмень	650 - 790

Объемная масса для  конкретного сыпучего материала не имеет постоянного значения. Колебание объемной массы зависит от гранулометрического состава материала: от размеров частиц, наличия частиц разной величины в общем количестве материала, его влажности и т.д.

Колебания объемной массы одного и того  же  материала  могут достигать 200-250%. У ряда материалов объемная масса сильно изменяется от содержания влаги. Зависимость не остается постоянной для материалов различного гранулометрического состава, у одноразмерных порошкообразных и пылевидных материалов с увеличением влажности наблюдается уменьшение объемной массы ( рис.1.1).

Рис.1.1. Изменение объемной массы q однородного порошкообразного материала в зависимости от влажности W

Для материалов,  неоднородных по своему составу (с крупными кусками и ограниченным количеством мелочи),  увеличение влаги вызывает увеличение объемной массы. Крупность частиц материала тоже резко влияет на изменение объемной массы (рис.1.2).

Рис.1.2. Изменение объемной массы материала в зависимости от крупности частиц

1.2.2. Плотность

Близкое к объемной массе понятие - это плотность. Чаще всего его относят к свойствам отдельных материалов, из которого получен кусковой материал, или к конгломератам (брикетам и гранулам), полученным из сыпучих материалов.

Плотность - это количество  вещества, заключенное в единице объема r (кг/м³). Один из методов определения плотности - пиктометрический.

Плотность сухого вещества r_с.в определяется из формулы:

,

где r_ж - плотность жидкости, заполняющей пиктометр (до риски), кг/м³; G₁ - масса пиктометра, заполняемого жидкостью, кг; G₂ - масса образца, кг;  G₃ - масса пиктометра с образцом и жидкостью, налитой до риски, кг.

При прессовании сыпучих материалов, их брикетировании и гранулировании достигнуть пиктометрической плотности практически невозможно, так как часть воздуха остается в системе капилляров. Существует такое понятие насыпная плотность r_н [кг/м³] - это вес единицы объема свободно насыпанного материала.

1.2.3. Порозность, пористость

Слой зернистого  сыпучего  материала занимает больший объем, чем сплошной кусок твердого тела,  из которого получены частицы. Это вызвано появлением в слое свободных пространств между зернами. Отношение суммарного объема V₀ пространств между частицами к конечному общему объему V слоя называется порозностью и обозначается через x:

,

где  V_В - объем частиц твердого вещества в слое; V₀ – суммарный объем пространства между частицами; V  - общий объем.

Порозность зависит от влажности материала и высоты лежащего сверху слоя материала. Она изменяется в пределах 0<x<1. Насыпная плотность r_н и порозность связаны соотношением (1-x)r_r + xr_c, где r_r и r_c соответственно плотность материала частиц и среды.

Реальные сыпучие материалы состоят не из однородных  зерен, а представляют собой  сложную смесь из разных по размерам частиц, имеющих внутренние микро - и макрокапилляры, а также трещины и щели, заполненные  воздухом. Свойство, аналогичное порозности зернистого сыпучего слоя, по отношению к отдельному монолиту, называется пористостью x’ и определяется по формуле

,

где  V₀^’ - объем свободных пространств внутри монолита; V' - общий объем монолита; V_B^' - объем твердого вещества, заключенного в монолите.

1.3. Квалиметрические характеристики дисперсных материалов

1.3.1. Удельная площадь поверхности

Количественной мерой дисперсности сыпучих  материалов,  т.е. развитости поверхности частиц, служит показатель удельной площади поверхности. Удельной площадью поверхности  материала  называется суммарная площадь поверхностей всех частиц, заключенных в единице массы (м²/кг) или объема (м^-1). Объемная удельная площадь поверхности S_уд.об. (м^-1) определяется зависимостью

,

а объемная  массовая удельная площадь поверхности S_уд.м (м²/кг) определяется:

,

где d - средний размер частицы, м; r - плотность, кг/м³.

1.3.2. Эквивалентный диаметр

Для определения удельной площади поверхности материала необходимо знать линейные размеры его частиц. Средневзвешенный размер принято называть диаметром частиц  независимо от их действительной формы.

Для зерна сельскохозяйственных культур, учитывая разнообразие и сложность формы, их размеры наиболее удобно характеризовать величиной эквивалентного диаметра D_э. Эквивалентным  диаметром зерна называется диаметр шара, объем которого равен действительному объему зерна. Эквивалентный диаметр определяется по формуле

,

где V_э - средневзвешенный объем одного зерна.

1.3.3. Гранулометрический состав. Крупность сыпучего материала

Крупность всей  массы сыпучего материала как статистической совокупности оценивается по содержанию в ней классов (фракций) определенных размеров, т.е. по гранулометрическому составу.

Гранулометрический состав материала, обрабатываемого в пищевой промышленности,  можно определить при помощи следующих анализов: ситового - рассевом на ситах на классы, если частицы крупнее 40 мкм; седиментометрического - разделением на фракции по скорости оседания частиц в жидкой среде, если размеры частиц находятся в пределах 5-50 мкм; микроскопического - измерением характерного линейного размера частиц, попавших в поле  зрения под микроскопом на мерительную сетку окуляра, если размеры частиц менее 50 мкм.

Ситовый анализ получил широкое распространение в мукомольной и крупяной промышленности. Ситовый анализ - рассев навески сыпучего материала на  фракции с целью определения его гранулометрического состава. Для рассева применяют сита: металлические пробивные - для грубого и среднего рассева  или  шелковые - при  тонком измельчении. Полотна сит имеют номер,  обозначающий число отверстий на 1 см сита. Сита устанавливают в пакеты  сверху вниз от крупных отверстий к мелким. Проход с последнего сита собирается на поддоне.

В мукомольной промышленности, оценивая крупность дерти, определяют средневзвешенный диаметр частиц (модуль помола) по одной из следующих формул:

или

,

где М  -  средневзвешенный диаметр частиц (модуль), мм; r₀ -  остаток на сборном дне, %; r_0,2, r₁, r₂, r₃ - остаток на ситах с отверстиями соответственно Ø0,2, Ø1, Ø2, Ø3 мм, %.

Более общая формула для вычисления средневзвешенного диаметра частиц следующая:

,

где  d_i - средний размер отверстий двух смежных сит, мкм; p_i – весовой выход (масса) частиц класса, %.

Характеристиками крупности называют графическое изображение  гранулометрического состава измельченных материалов (в мукомольном производстве - помольными характеристиками). В зависимости от метода построения характеристики крупности (рис.1.3) могут быть частными (распределения) или суммарными (интегральными).

В частной характеристике ордината R_х, отложенная из точек на оси абсцисс, соответствующих  среднему диаметру отверстий двух смежных сит, показывает массовый выход в процентах, оставшийся  на  сите данной фракции.

Суммарный выход (%)  "по  плюсу"  показывает, сколько имеется в пробе материала с размерами частиц крупнее данного размера, т.е. это выход всех сит, расположенных выше данного сита, включая остаток и на данном сите х.

Рис.1.3. Опытные характеристики крупности (приведены данные для комбикорма): 1-суммарная "по плюсу"; 2-суммарная "по минусу"; 3-частная (распределения);

4-выровненная по уравнению крупности

Суммарный выход (%) "по минусу"  показывает, сколько имеется в пробе материала с размерами меньше данного размера. Обе суммарные характеристики являются зеркальным отображением одна другой.

Уравнение характеристик крупности описывает распределение частиц размола по  их размерам. Распределение частиц можно описать, используя вероятностно-статистические методы, и представить в виде непрерывной функции, охватывающей размеры частиц от самых мелких до крупных кусков.

Исследования помольных  характеристик показали, что для аппроксимации кривых эмпирического распределения  наилучшие результаты дает экспоненциальное степенное уравнение Розина-Раммлера и логарифмический нормальный закон:

;            ,

где x - средний размер частиц (d)  класса, мкм; b и n – экспериментальные коэффициенты или параметры распределения экспоненционально-степенного уравнения; - суммарный выход "по плюсу";  - суммарный выход "по минусу".

Уравнение для  дифференциальной кривой или плотности распределения имеет вид

.

1.4. Поверхностные свойства. Трение

Многие технологические процессы пищевого производства (прессование, смешивание,  дозирование) связаны с перемещением  частиц под воздействием  действующих внешних сил и преодолением сил трения как внешнего, так и внутреннего.

Процесс трения частиц является сложным, его протекание      зависит от внешних факторов: природы пар трения; исходной шероховатости и волнистости тел; промежуточной и окружающей среды; нагрузки; скорости (скольжения, качения, кручения); исходной температуры и влажности, а также от внутренних факторов, возникающих в процессе трения частиц: изменение свойств поверхностных слоев частиц; изменение шероховатости и волнистости частиц в результате их взаимодействия; тепловыделение при трении (температура и температурный градиент на микро- и макроуровне); разрушение поверхностей частиц в зоне трения. Учесть все факторы в отдельности не представляется возможным, поэтому пользуются усредненными характеристиками, полученными в определенных условиях.

Коэффициент трения определяется экспериментально для соответствующей поверхности и подсчитывается по формуле

,

где  t - касательное напряжение в плоскости сдвига, Па; s- нормальное напряжение на уровне плоскости сдвига, Па; F – сила трения, Н;   N – сила нормального давления, Н.

  Коэффициент внутреннего трения  для применяемых рабочих поверхностей, больше, чем внешнего, и оба уменьшаются при увеличении нормального давления.

Различают также  статический  и  динамический  коэффициенты трения.

1.4.1. Статический коэффициент трения

Статический коэффициент трения f_ст определяется по формуле

,

где F_ст - сила трения в начальный момент сдвига, H; N₁  - сила нормального давления в начальный момент сдвига, H.

1.4.2. Динамический коэффициент трения

Динамический коэффициент трения f_D определяется по аналогичной формуле

,

где F_D - сила трения в период движения, H; N₂ - сила нормального давления в период движения, H.

Данные коэффициенты трения зависят от нормального давления P, влажности W и температуры t. На рис.1.4 представлены графики данных зависимостей для фитосырья (высушенных, измельченных лекарственных растений), полученные В.Ф.Ненкратевичем.

Рис.1.4. Зависимость коэффициентов трения покоя f_ст и  движения f_D фитосырья

от нормального давления P (а), влажности W (б) и температуры t (в)

Угол естественного  откоса  связан  с  процессами внешнего и внутреннего трения и является одним из основных факторов, характеризующих сыпучесть материалов. Угол естественного откоса характеризует подвижность материала, которая тем больше, чем меньше угол естественного откоса.

1.4.3. Угол естественного откоса

Угол естественного откоса зависит от зернистости, влажности, температуры и других свойств материала. В табл.1.3 приведены углы естественного откоса для некоторых материалов в покое и движении.

Величина угла естественного откоса материала не является постоянной. При изменении состояния материала, например температуры и влажности, этот угол может изменяться в значительных пределах.

Таблица 1.3

Угол естественного откоса материала

Наименование материала	Угол естественного откоса, град.
	в покое	в движении
Бобы	45	27
Вика	-	35
Горох	28	24
Горчица	27	25
Зола сухая	50	40
Известь гашеная	50	35
Картофель	-	15
Конопляное семя	38	31
Кофе молотый	-	35
Кофе в зернах	-	25
Кукуруза	35	28
Мел в порошке	50	40
Мука	55	50
Овес	35	27
Опилки древесные	55	31
Песок	40	30
Просо	24	22
Подсолнух	45	40
Пшеница	35	25
Рожь	35	27
Сахар песок сырой	70	50
Свекла	35	25
Сода	50	40
Солод	-	22
Соль каменная	50	40
Цемент	40	27
Чечевица	35	25
Ячмень	35	27

1.4.4. Слеживаемость, комкуемость, склонность к сводообразованию

Это характеристики плохой сыпучести материала. От сыпучести или подвижности материалов, т.е. способности при известных условиях образовывать струю, текущую под действием силы тяжести, зависит характер движения материала в процессе его  технологической обработки.

Многие материалы склонны образовывать своды,  т.е.  зависать над выпускным  отверстием при течении из бункера, воронок и т.п. (рис.1.5).

Рис.1.5. Образование сводов в бункере

После образования свода дальнейшее истечение материала прекращается и может возобновляться только после разрушения свода. Образованию сводов способствуют высокий коэффициент трения между частицами, слеживаемость, комкуемость и липкость (адгезионные свойства поверхностей частиц).

На слеживаемость некоторых материалов влияет длительность их хранения. Так, например, при непродолжительном хранении в течение 2-3 дней в бункере мукомольно-крупяные отходы не теряют сыпучести, но при более длительном хранении они слеживаются и образуют своды. Пшеничные отруби при длительном хранении в силосах не только стоят отвесной стеной, но и не всегда сразу отваливаются при небольшом подкосе в толще насыпи.

Своды могут  образовываться  также вследствие недостаточно большого размера выпускного отверстия, не соответствующего размеру кусков дозируемого материала.

1.4.5. Влияние поверхностной влаги сыпучего продукта

на его физико-механические свойства

Больше всего влажность W влияет на сыпучесть, но с изменением влажности изменяется  и объемная масса q и угол естественного откоса. При повышении процента влажности обычно увеличивается угол естественного откоса и уменьшается объемная масса материала. Часто это влечет за собой изменение сыпучести материала, способствует образованию комьев и сводов, что нередко вместо хорошей подвижности сухого материала приводит к прекращению его движения.  Так, например, для пищевой соли оптимальная, с технологической точки зрения, влажность - до 0,5%.  Такая соль образует правильный угол естественного откоса, не слеживается и не задерживается в бункере. При увеличении влажности до 1%  соль  начинает  терять  сыпучесть, а при влажности 2% она залегает в бункере, при влажности 3% и выше соль можно сжать в комок, а поверхности, с которыми она соприкасается, становятся мокрыми. При 6%-ной влажности соль теряет свойства сыпучести.

Для некоторых сыпучих материалов в зоне малой влажности, от 0 до 1%, изменение влажности сопровождается обратным явлением, т.е. увеличением сыпучести даже в несколько раз. Это связано с увеличением порозности продукта x. При дальнейшем увеличении влажности порозность  изменяется  мало, а угол естественного откоса продолжает возрастать, т.е. это приводит к ухудшению сыпучести.

1.5. Истечение сыпучих масс

Процесс дозирования сыпучих материалов связан с  транспортированием его  по коммуникациям и подачей к дозаторам.  К точности дозирования, а следовательно,  и  подаче  материалов предъявляются весьма жесткие требования. Дозируемые материалы хранятся в бункерах выше дозирующих устройств и подаются к ним самотеком.

1.5.1. Виды истечения

Процессы истечения сыпучих материалов из отверстий бункеров делятся на 3 основных вида (рис.1.6).

Рис.1.6. Виды истечения сыпучих материалов из бункеров: а - нормальный; б - гидравлический; в - при боковой разгрузке

Нормальный вид истечения, при котором материал  движется  в виде столба, расположенного над отверстием истечения.

Гидравлический вид истечения, при котором весь сыпучий продукт в бункере движется вниз подобно жидкости.

Боковое истечение происходит при боковой разгрузке бункера и является частным случаем нормального вида истечения.

1.5.2. Схема истечения

Как показывают наблюдения, истечение материала из бункера при нормальном и боковом  истечении может быть представлено схемой, показанной на рис.1.7.

В начале вытекает часть D,  затем следует часть C, способствующая движению обеих  частей А по поверхности частей B. Части B соскальзывают по E. Объем неподвижных частей E зависит от формы бункера и характеристики материала.

Одним из  способов увеличения подвижности и облегчения перемещения сыпучих материалов является псевдоожижение.

Псевдоожиженный слой материала отличается от сыпучего слоя материала тем, что на каждую его частицу в слое действует внешняя сила, частично или полностью уравновешивающая ее вес. Кроме этого на частички псевдоожиженного слоя могут действовать и другие силы,  которые побуждают движение частичек материала в его объеме. Уравновешивание силы веса частичек внешними силами приводит к  уменьшению или исчезновению давления вышележащих слоев сыпучей среды на нижележащие и, как следствие - к  резкому  снижению или полному исчезновению трения покоя между частицами среды и рабочей поверхностью. Трение покоя между частицами является основной причиной,  вызывающей различия свойств сыпучей и жидкой сред. Исчезновение этой причины практически  устраняет  различия  между этими средами, т.е. ранее сыпучая среда ведет себя подобно жидкой. Она принимает форму сосуда,  в котором находится;  свободная поверхность становится  нормальной вектору равнодействующей тангенциальных сил,  действующих на нее (силы веса, инерционных сил); в псевдоожиженном слое справедливы законы гидравлики и гидродинамики. Псевдоожижение может производиться несколькими способами.

Для псевдоожижения  через  слой  сыпучего материала в вертикальном направлении снизу вверх пропускается струя газа или  жидкости. Сила  сопротивления  этих струй (динамическая составляющая движения потока и статическая,  равная весу жидкости, вытесненной объемом частички) и является уравновешивающей для силы веса частицы, т.е. вызывает псевдоожижение.

При механическом  псевдоожижении  нижележащим слоям сыпучего материала сообщаются  импульсы  механической  силы,  передающиеся внешним слоям.  Их  вертикальные составляющие уравновешивают силы веса частиц, что и является псевдоожижением. Неуравновешенные силами веса  составляющие этих механических импульсов побуждают соответствующее перемещение слоя материала и движение частиц  внутри объема псевдоожиженного материала. Механическое псевдоожижающее воздействие на сыпучую среду обычно осуществляется вибратором - побудителем механических колебаний при выгрузке бункеров или вращении вала с лопатками (ротора) в смесителе при смешивании  сыпучих ингредиентов.

Лопатки ротора в смесителе, создающие эффект псевдоожижения, расположены в плоскости днища цилиндрического или конического сосуда с сыпучим материалом. Плоские лопатки ротора расположены под углом в плоскости вращения. Вертикальная составляющая усилий, передаваемых сыпучей среде при вращении ротора,  является  полезным для псевдоожижения  воздействием. Это  воздействие увеличивается при увеличении скорости вращения.

Минимальная скорость  вращения ротора, при которой начинается псевдоожижение, называется критической. Она зависит от конструкции смесителя и вида сыпучих материалов. Однако  во всех случаях критическая скорость вращения ротора зависит от соотношения высоты слоя сыпучего материала к  ширине лопастей и  от плотности материала. Предельная высота слоя, при которой еще возможно псевдоожижение,  составляет 6-10 ширин лопасти для  материалов плотностью соответственно 1000-500 кг/м³. При скорости ротора меньше критической реализуется различное  характерное состояние формы поверхности материала над ротором. Обычно имеют место следующие характерные состояния, классифицированные по скорости возрастания вращения ротора:

1. Материал уплотняется, и уровень его свободной поверхности понижается, сама свободная поверхность остается плоской.

2. Уплотнение продолжается, свободная поверхность еще понижается, но начинает вибрировать, и на ней возникают глубокие трещины.

3. Материал начинает медленно вращаться по цилиндрическим поверхностям и расширяется, свободная поверхность начинает повышаться.

4. Материал начинает вращаться, а его свободная поверхность выпучиваться вначале в центре, а потом по всей поверхности.

5. В центре сосуда появляются углубления,  и  начинается  движение материала от периферии к центру.  Это движение далее интенсифицируется. В объеме материала, вблизи оси сосуда реализуется движение материала  вниз, вблизи днища - от центра к периферии и вблизи наружной цилиндрической (конической) поверхности - снизу вверх.

Таким образом,  траектории движения частиц являются замкнутыми, а само движение - циркуляционным. Вид этого движения в коническом сосуде показан на схеме экспериментальной установки, рис.1.8.

Рис.1.8. Схема экспериментальной установки для исследования механического псевдоожижения в смесях сыпучих материалов: 1 - корпус смесителя; 

2 - смешиваемый материал;  3 - ротор;  4 - измерительное устройство

1.5.4. Связь параметров истечения сыпучих материалов

с конструктивными параметрами оборудования

Бесперебойный поток материала из бункера обеспечивается  соответствующей величиной выпускного отверстия. Чем больше выпускное отверстие, тем лучше истечение материала.

С увеличением отношения диаметра выпускного отверстия бункера к диаметру куска материала интенсивность истечения материала также возрастает. Как  правило, диаметр выпускного отверстия должен быть в 4-5 раз больше диаметра наибольшего куска  материала. При этом выпускное отверстие делается тем больше, чем острее частицы материала.

Пропускная способность выпускного отверстия при уменьшающемся диаметре куска материала увеличивается тем больше, чем больше частицы материала приближаются к форме шара.

Интенсивность истечения увеличивается также при  уменьшающемся коэффициенте трения f между материалом и стенками бункера и при возрастании объемной массы материала q.

При возрастающей влажности материала W интенсивность потока, как правило, уменьшается. Это объясняется тем, что появляющиеся капиллярные усилия сдерживают отделение частиц материала. Следовательно, чем меньше выпускное отверстие, тем меньше та допустимая влажность, при которой материал еще способен к истечению.

При уменьшении наклона стенок бункера к горизонтали  истечение материала  ухудшается,  сводообразование может быть более устойчиво.

В технологических  процессах пищевых производств сыпучий материал из хранилищ подается самотеком по желобам и трубам. Излишние перегибы и повороты конструкций мешают нормальному истечению материалов. В местах перелома подающих устройств материал снижает скорость, что практически может привести к "забиванию" коммуникаций.

Наименьшие допустимые  углы  наклона технологических поверхностей (желобов) для некоторых  материалов  приведены  в табл.1.4. Трубы допускают меньшие углы наклона, чем прямоугольные желобы, вследствие отсутствия у них двугранных углов, в которых застаиваются материалы, особенно порошкообразные.

Чем больше процент мелочи содержит транспортируемый материал, тем больше должен быть угол наклона желоба к горизонту.

Таблица 1.4

Наименьшие допустимые углы наклона прямолинейных желобов

прямоугольного сечения, обеспечивающие режимы

нормального истечения

Транспортируемый материал	Угол наклона стального желоба, град.	Транспортируемый материал	Угол наклона стального желоба, град.
Гречиха	26	Песок	50
Каменная соль	40	Просо	22
Кукуруза	22	Пшеница	26
Мука пшеничная	44	Пшено	25
Овес	22	Чай	50 – 70
Отруби	37	Ячмень	21

Для деревянных конструкций угол наклона принимается большим, чем для стальных, примерно на 5⁰.  Для влажных материалов углы наклона также несколько увеличиваются, при этом  чем меньше размер кусков, тем больше должен быть принят угол наклона.

1.6. Уплотнение сыпучих материалов

На выбор  конструктивных параметров оборудования для уплотнения сыпучих материалов и оптимальных режимов работы рабочих органов решающее влияние оказывают свойства материалов, из которых важное значение имеют структурно-механические, сдвиго-реологические и технологические  свойства.

1.6.1. Общие свойства уплотняемых

сыпучих материалов

По  виду  приложения  усилия или напряжения к перерабатываемому материалу эти свойства делятся на три группы: объемные, поверхностные и сдвиговые.

Объемные структурно-механические свойства определяют поведение сыпучего тела при воздействии на него нормальных напряжений в замкнутом пространстве или между двумя пластинами. Объемные свойства зернистых и волокнистых твердых тел обусловлены размерами и формой частиц, состоянием  поверхности и внутренней структурой материалов. Они составляют большую группу свойств, требующих специальных методик их оценки с применением соответствующей аппаратуры. К таким свойствам относятся: объемная масса q, плотность r, порозность x, пористость x', внутреннее трение f_в и др., рассмотренные выше в соответствующих разделах.

Поверхностные свойства уплотняемых материалов характеризуют  поведение поверхности тела на границе раздела с другим твердым материалом при воздействии нормальных (адгезия) и  касательных  (внешнее трение) напряжений,  возникающих при работе рабочих органов прессующих устройств.

Сдвиговые реологические свойства уплотняемых дисперсных масс характеризуют поведение объема (сформированного из частиц) тела при воздействии на него сдвиговых,  касательных напряжений. Процессы уплотнения зернистых материалов связаны с процессами деформации, протекающими в самих частицах,  из которых формируется монолит (твердое тело).

Изучением внутреннего механизма деформационных  процессов дисперсных систем и монолитных материалов, полученных в процессе спрессовывания, занимается наука реология. Напомним, что к важнейшим реологическим свойствам уплотняемых сыпучих материалов относятся упругость, вязкость, пластичность и прочность.

1.6.2. Технологические свойства сыпучих масс,

связанные с процессом уплотнения

Свойства сыпучих  масс  влияют  на протекание деформационных процессов при уплотнении и тем самым определяют качество полученных монолитов. Рассмотрим влияние некоторых свойств исходных сыпучих материалов на прочность монолита - конечного продукта прессования.

Крупность частиц исходных материалов. Из молекулярной  теории  уплотнения  вытекает, что наиболее плотная упаковка частиц достигается при наиболее тонком измельчении исходного продукта. Оно ведет к увеличению суммарной поверхности частиц и площади  контактов, через которую проявляется действие сил сцепления,  что приводит к повышению плотности монолитов. В свою очередь, плотность r определяет прочность П_р полученных прессованием монолитов. Ю.В. Подколзин установил (рис.1.9) следующую экспериментальную зависимость:

,

где l – размер прессуемых частиц.

Рис.1.9. Зависимость прочности брикетов от их плотности

Таким образом, наиболее прочны монолиты из мучнистых и пылевидных материалов,  наименее прочны монолиты, если в них не вводить связующие компоненты (меласса,  жир и др.), состоящие из волокнистых компонентов и сечки материалов растительного или органического происхождения.

Влажность исходных материалов в значительной мере определяет как качество получаемых монолитов, так и  экологичность технологических процессов.

В зависимости от физического состояния вода может выполнять роль пластификатора и связующего вещества, способствующего более тесному сближению частиц и образованию соответствующих  связей, например, более прочных брикетов. Наряду с этим в других условиях вода может выполнять роль расклинивающего тела и противодействовать уплотнению материала,  делая его более упругим и неподатливым спрессовыванию. Установлено, что для каждого исходного  материала существует зона оптимальных технологических режимов, соответствующих определенной влажности. Превышение влажности приводит к уменьшению плотности r и прочности монолитов П_р (рис.1.10), показатель крошимости К_р растет, а необходимое прилагаемое давление Р остается неизменным. Частицы исходного продукта от влажности набухают, увеличивается объем их массы.

Рис.1.10. Зависимость давления Р прессования, плотности r, крошимости К_р гранул муки фитоматериалов (травянистых, лекарственных и кормовых растений) от влажности W

Частицы воды, находящиеся между частицами исходного материала, при уплотнении мешают их сближению и действуют как клинья. Это приводит к увеличению энергоемкости процесса прессования и ухудшению качества монолита.

Температура исходных материалов также влияет на протекание процесса уплотнения. При уплотнении материала часть механической работы, затрачиваемой на его деформацию и перемещение вдоль канала, переходит в теплоту. Образующаяся теплота увеличивает степень нагрева сжимаемого материала и матрицы. При увеличении температуры прессования наблюдается положительное уменьшение энергоемкости процесса, увеличение производительности оборудования и уменьшение износа матрицы.

Влага, адсорбированная на поверхности сжимаемого материала, резко снижает свою вязкость h_в под воздействием температуры Т, что видно из уравнения h_в = 0,01905Т^-0,95. При комнатной температуре вязкость воды h_в ~ 0,001 [Па×с].

При температуре выше 300 К повышение давления также способствует уменьшению вязкости воды, в результате уплотняемый материал становится более пластичным и легче поддается деформации.

Полученные монолиты,  являясь  еще полуфабрикатами, требуют немедленного охлаждения. Охлаждение способствует сокращению периода упругого последействия, а также завершению релаксационных процессов внутри монолитов и повышению их прочности. В результате охлаждения влажность брикетов снижается на 1,5-3%, и они становятся более прочными.

Теплофизические свойства прессуемых материалов. Для тепловых расчетов процесса прессования необходимо иметь численные значения характеристик теплофизических свойств, которые могут быть найдены только экспериментальным  путем. К основным теплофизическим характеристикам относятся: коэффициенты теплопроводности l, температуропроводности a, удельной теплоемкости C. Данные характеристики для зерносемян подробно рассмотрены в следующей главе. В ходе процесса прессования эти характеристики, в значительной степени меняются в зависимости  от влажности W, температуры t⁰ и приложенного давления P.

Установлено, что с повышением температуры и влажности все теплофизические характеристики сыпучих пищевых материалов возрастают. Это объясняется тем, что при влажности W ниже 14%  вода прочно связана с твердыми частицами исходного продукта, основную роль в теплообмене играют твердый скелет материала и воздух, теплопроводность которого в 25 раз меньше теплопроводности воды. Численные значения коэффициентов невелики и составляют: a=(19-20)10^-2 [м²/⁰С] и l=(6-7)10^-2  [Вт/(м×⁰С)]. С увеличением влажности усиливается массообмен, и теплопроводность заметно возрастает, так как вода не только заполняет поры между частицами, но и проникает в микрокапилляры, увеличивая при этом площадь контактной поверхности и создавая более благоприятные условия для передачи тепла.

Удельная теплоемкость C с увеличением влажности W и температуры t⁰ тоже возрастает и, например, для комбикормовых смесей может колебаться от (17-18)10^-2 Дж/(кг×град) при W=17% и t⁰=293 К  до      (21-22)10^-2 Дж/(кг×град) при W = 22% и t⁰=373 К.

1.6.3. Экспериментальное определение кривых кинетики

деформации уплотняемых сыпучих материалов

Для количественной оценки сдвиговых свойств прессуемых сыпучих материалов проводят экспериментальное определение кривых кинетики деформации на приборах типа Вайлера - Ребиндера методом тангенциально-смещаемой пластины. В этом приборе вместо кюветы устанавливают зажимное устройство, позволяющее определять реологические характеристики при изменении нормального давления от 0 до 1 МПа. Абсолютная величина деформации сдвига замеряется микроскопическими индикаторами с ценой деления 0,01 мм,  что позволяет испытывать как сыпучие материалы, так и волокнистые.

Результаты наблюдений выносят на график (рис.1.11), из которого затем находят численные значения условно-мгновенной деформации g₀, эластической деформации g₂ и остаточной (деформации течения) g₀' с тем, чтобы определить основные физико-механические константы: модуль упругости (сдвига) E, условно-мгновенный модуль E₀, эластический модуль E_э или модуль упругого последействия Е_n (Па), вязкость h (Па×с), периоды релаксации T_рел и упругого последействия (расшире-     ния) T_ур.

Рис.1.11. Экспериментальные кривые кинетики деформации:

1 – Р=27,2кПа; 2 – Р=35,4 кПа; 3 – Р=38,2 кПа

График рис.1.12 представляет экспериментальные кривые кинетики деформации при брикетировании полнорационного корма  (комбикорм - 30%, сечка травяная - 70%) g = f(t), при t > t_т  (предела текучести) - кривые течения полнорационного корма в координатах "относительная деформация - время".

Рис.1.12. Экспериментальная реограмма = f(t) для полнорационной

кормовой смеси и кривая h_эф = f₁(t)

Основной реологической характеристикой структурно - механических свойств дисперсных систем  является  зависимость  скорости  сдвига  или  эффективной  вязкости  от  напряжения ,  т.е. =f(t), или h_эф = f₁(t), так как эффективная вязкость является итоговой  характеристикой, описывающей равновесное состояние между процессами восстановления и разрушения структуры в установившемся потоке. Экспериментальная кривая течения =f(t), или реограмма (см.рис.1.12), имеет S - образный характер и отсекает на оси абсцисс отрезок [0-1], в пределах которого воздействующие на тело напряжения вызывают лишь упругие, или пластические,  деформации,  так как  в этой зоне они не превосходят по своей величине порог, называемый предельным напряжением сдвига (предел текучести (t₀ = t_т)). Дальнейшее развитие процесса деформации на кривой течения выявляет следующие зоны: участок 1-2 - зона пластической деформации типа ползучести, при которой наблюдается наибольшая пластическая вязкость, называемая шведовской или структурной h_ст (внутренняя структура тела еще не нарушается); участок 2-3 - начало зоны лавинного разрушения структуры, следствием  чего  является уменьшение пластической вязкости h_пл, отражающей зависимость ее от скорости  деформации; участок 3-4 - зона пластично-вязкого течения, при которой пластическая вязкость получает наименьшее значение и называется бингамовской, или эффективной, вязкостью h_эф. Она отражает равновесное состояние между процессами разрушения и восстановления структуры и в этих условиях практически остается постоянной. В общем случае эффективная вязкость  зависит от температуры и скорости деформации. Участок 4-5 - узкая переходная зона стабилизации структуры, границы которой в эксперименте трудно различимы. После точки 5 начинается зона 5-6 ньютоновского течения с постоянной вязкостью h предельно разрушенной структуры, независящей от скорости деформации. Вязкость ньютоновских жидкостей зависит только от температуры.

Связь между  пластической и эффективной вязкостью при сжатии дисперсных систем определяется из соотношения

,

учитывая, что t = h_эф, получим

,

где t_т - предел текучести, приблизительно равный предельному напряжению сдвига, Па (t_т ~ t₀).

Рассмотренные кривые называются также кривыми консистентности. Из графика видно, что при прессовании растительные материалы ведут себя как типичные вязкопластичные тела (тела Бингама) с постоянной эффективной  вязкостью. Построение кривой консистентности позволяет определить природу прессуемого материала. Если  кривая =f(t) не проходит через начало координат, то материал является твердым телом, которое имеет предельное напряжение сдвига. Если кривая проходит через начало координат, то прессуемый материал может быть ньютоновской жидкостью или твердым телом, у которого проявляется так называемый "пристенный эффект". M.Рейнер пишет: "При  течении дисперсной системы дисперсионная среда может образовать смазывающий слой между жидкостью и твердой стенкой ". Такой  пристенный слой образуется и в ходе прессования капиллярно-пористых коллоидных тел под действием высоких внутренних напряжений. Часть свободной влаги из капилляров вытесняется к стене камеры прессования, образуя на ней смазывающий слой. Об этом свидетельствует уменьшение коэффициентов внешнего трения при высоких давлениях.

1.7. Экологическая безопасность технологических

процессов работы с сыпучим материалом

Среди свойств, определяющих экологическую безопасность, можно отметить: пыление, кородирующее воздействие на контактирующие поверхности, склонность к самовозгоранию, которые прямого воздействия на ход технологических процессов над сыпучими материалами не имеют, но требуют соответствующих конструктивных устройств  или специальной обработки контактирующих поверхностей, а также применения соответствующих защитных покрытий.

Так, например, для пылящих материалов вводятся соответствующие кожухи, фартуки,  вплоть до герметизации всей установки, особенно при работе с ядовитыми материалами.

 

<<

Оглавление

>>