哈尔滨商业大学食品机械第1章搅拌机

食品机械哈尔滨商业大学第一章搅拌机械第一节概述一、搅拌操作依靠外力使被搅拌物质产生流动，以达到两种或两种以上物质在彼此之中相互均布的一种操作。二、搅拌的基本目的（1）取得均匀的混合物（2）强化热交换过程三、混合的对象（1）牛顿流体液—液混合物固—液混合物（2）非牛顿流体高粘度糊状物粘滞性面团（3）干散物料混合机搅拌机调和机第二节搅拌机一、搅拌机结构与组成组成：搅拌器电动机减速器排料管容器挡板适用物料：低粘度物料二、混合机理利用低粘度物料流动性好的特性实现混合1、对流混合在搅拌容器中，通过搅拌器的旋转把机械能传给液体物料造成液体的流动，属强制对流。包括两种形式：（1）主体对流：搅拌器带动物料大范围的循环流动（2）涡流对流：旋涡的对流运动液体层界面强烈剪切旋涡扩散对流混合速度取绝被混合物料的湍动程度，湍动程度混合速度液体分子间的运动微观混合2、分子扩散混合作用：形成液体分子间的均匀分布对流混合可提高分子扩散混合3、剪切混合搅拌桨直接与物料作用，把物料撕成越来越薄的薄层，达到混合的目的。高粘度过物料混合过程，主要是剪切作用。主体对流涡流对流宏观混合三、混合效果的度量ABABab1、调匀度I设A、B两种液体，各取体积vA及vB置于一容器中容器内液体A的平均体积浓度CA0为：经过搅拌后，在容器各处取样分析实际体积浓度CA，比较CA0、CA，若各处CA0=CA则表明搅拌均匀若各处CA0=CA则表明搅拌尚不均匀，偏离越大，均匀程度越差。BAAAVVVC0（理论值）引入调匀度衡量样品与均匀状态的偏离程度定义某液体的调匀度I为：0AACCI011AACCI或（当样品中CACA0时）（当样品中CACA0时）mIIIIm211I显然I≤1若取m个样品，则该样品的平均调匀度为当混合均匀时2、混合尺度设有A、B两种液体混合后达到微粒均布状态ABABab设备尺度混合尺度微团尺度分子尺度在设备尺度上：两者都是均匀的（宏观均匀状态）在微团尺度上：两者具有不同的均匀度在分子尺度上：两者都是不均匀的当微团消失分子尺度的均匀或微观均匀两种状态如取样尺寸远大于微团尺寸，则两种状态的平均调匀度接近于1。如取样尺寸小到与b中微团尺寸相近时，则b状态调匀度下降，而a状态调匀度不变。即：同一个混合状态的调匀度随所取样品的尺寸而变化，说明单平调匀度不能反映混合物的均匀程度四、搅拌机主要结构1、搅拌器搅拌器由电动机带动，物料按一定规律运动（主体对流），桨型不同，物料产生的流型不同。桨作用于物料，物料产生三个方向的速度分量：促进混合轴向分量经向分量切向分量当，桨对中安装，n液体绕轴整体旋转，不利于混合a、流型：轴流型，以轴流混合为主，伴有切向流，经向流，湍动程度不高。b、循环量大，适用于宏观混合c、适用低粘度物料混合，≤2000cp。d、桨转速较高，圆周速度u=5～15m/sn=100～500rpme、dj=(0.2～0.5)D(以0.33居多)特点：（1）旋桨式搅拌器类似于无壳的轴流泵结构：（2）涡轮式搅拌器相似于无壳的离心泵组成：圆盘、轴、叶片（4～8）特点：①流型：径向流型伴有轴向流切向流②有两个回路③易产生“分层效应”（不适于混合含有较重固体颗粒悬浮液）④dj=（0.2~0.5)D(0.33居多)dj：L：b=20：5：4⑤适合混合中低粘度的物料，≤5000cu=4-8m/sn=10-300rpm。⑥回路较曲折，出口速度大，湍动程度强剪切力大，可将微团细化。（3）桨式搅拌器当搅拌器提供的机械能因粘性阻力而消耗湍动程度主体流动范围例：同一规格的涡轮式搅拌器，混合不同粘度的物料，混合效果差别很大。水的搅动范围为4D当＞5000cp时，其搅动范围为0.5D，离桨较远处流体流动缓慢，甚至静止，混合效果不佳。∴当时，应采用Dn的桨①桨叶尺寸大,dj/D=0.5～0.8宽度大,b：dj=0.1-0.25②转速低,u=1.5～2m/s;n=1～100rpm③流型：径向流切向流如桨叶倾斜，可产生小范围轴向流④适合低粘度物料μ＞5000CP⑤当容器内液位较高时，可在同一轴上安装几个桨叶。桨式搅拌器特点：（4）锚删式搅拌器结构：特点：①适合μ可达10000cp②dj/D=09-0.98;b/D=0.1;h/D=0.48-1③转速u=0.5-1.5m/sn=1-100rpm④搅动范围大,不会产生死区⑤流型：主要是切向流基本不产生轴向流2、搅拌容器（1）形状：圆弧底：有利于产生流型，迅速混合，没有死角，功耗低锥型底：有利于底部排料，流型差底部易产生停滞现象，均匀程度差（2）设计容器壁厚按压力容器设计标准及技术条件进行设计。（3）容器容量及结构尺寸①容器长径流比H/D根据实验一般：H/D=1-3液—固相液—液相H/D=1-2气—液相H/D=1.7～2.5发酵容器搅拌容器装满程度用装满系数η表示η=Vg/V式中:Vg----实际盛装物料的容积V---容器全容积η=0.6-0.85如搅拌过程中起泡沫或呈沸腾状态η=0.6-0.7(取低值)当物料反映平稳或粘度较大时η=0.8-0.85(取高值)②搅拌容器装料量③容器直径与高度确定方法:先初算(忽略封头容积),后较核计算.直径计算:DHDHDV3244将H/D及V=Vg/η代入3)/(4DHVgD注:D应圆整为标准直径容器高度计算:HDvV24式中:v—封头部分容积∴24DvVgH注:H应圆整校核:H/D及η值是否在推荐范围内3、挡板（1）打漩当被搅拌液料出现沿圆周做整体旋转运动时，这种流动状态叫打旋（2）打旋的危害①几乎不存在轴向混合，会出现分离现象②液面下凹，有效容积降低。③当旋涡较深时，会发生从液体表面吸气现象，引起液体密度变化或机械振动（3）常见消除打旋的方法①偏心安装②倾斜安装③側壁安装消除打旋最简单常用的方法是在容器内加设挡板（4）挡板的结构与作用结构假设挡板作用：①消除打旋②将切向流改变为轴向流和径向流③增大液体的湍动程度Wb—挡板宽度dj—液轮直径nb—挡板数目35.0.)(2.1bbndjW通常101djWb4bn（5）充分挡板化实践证明：实现充分挡板化的条件是否所有液体搅拌机无论混合物料的粘度多大都应加设挡板？A、低粘度物料，转速较高，桨对中按装时，应加挡板，挡板紧贴内壁B、中粘度物料，挡板离开壁面安装，防止死区C、高粘度物料（μ=12000cp）流体粘度足以抑制打旋，可不加挡板4、轴封（1）填料密封特点：①结构简单②成本低③对轴磨损大④摩擦功耗大⑤需经常调解泵轴泵壳密封填料(盘根)压盖（2）机械密封特点：①密封可靠②对轴无磨损③摩擦功耗小④使用寿命长⑤无需调整⑥结构复杂⑦成本高5、传动系统组成：电机、减速器、联轴器、搅拌器五、功率计算1、计算方法结构参数：dj、D、H、Wb运动参数：n物性参数：ρ、μ影响功率因素：N=f(n,dj,ρ,μ,g)找出无因次数群搅拌功率关联式式中：K—同一几何构形搅拌器的总形状因子注：K、X、Y由试验求得2djnRegdjnFr253jPdnNNYrXepFRKN功率准数：雷诺准数：弗鲁德准数：用因次分析法找出三者之间的关系用式中：φ—功率因素当加设挡板时，消除打旋，Y=0,Fr=1.∴φ=Np=kRex对数式：logNp=logK+XlogRe以φ或Np为纵坐标，以Re为横坐标绘制功率曲线xeyrpRKFN（1）Re10时，(层流区）为直线,斜率为-1∴logNp=logK－logRe将Np,Re代入得N=Kn2dj3试验测得：k≈1当n=C，N∝μ.dj3（2）10Re104时，(过渡流区）（3）Re104时，(湍流区)曲线呈水平无挡板,功率消耗少,易打旋,效果差有挡板,功率消耗增加,效果好。注：∵为无因次数群，不针对特定尺寸∴与曲线描述的搅拌器几何尺寸相近的均可用该曲线计算第三节调和机一、概述1、调和机混合对象粘性高的非牛顿物料2、∵μa流动性对流混合作用涡流对流混合∴混合效果主要依靠搅拌器与物料的直接接触作用达到混合的目的。∵μa流动性∴要求调和机的搅拌器必须经过容器各个部位，以免造成混合不均的现象，这一点与液体搅拌机不同。注意：3、分类：按操作主要用途及习惯分：打蛋机调和机（调粉机或和面机）二、打蛋机1、打蛋机结构工作原理组成：电动机、传动系统、搅拌器、搅拌容器、容器升降机构、机座等2、搅拌器（1）搅拌头组成：1—内齿轮2—行星轮3—转臂4—搅拌桨公转与自转之间的关系nz—搅拌桨自转转速（150～500rpm)nG—搅拌桨公转转速（70～270rpm)GZnZZn)1(行内（2）搅拌桨3、调和容器及容器升降机构材料：不锈钢容器升降机构4、传动系统作业：已知：n电=1450rpm带轮直径:D小=120mm、D大=240mm齿轮齿数如图示求：搅拌器的三种自转与公转转速？三、调粉机1、概述（1）适用对象:粘度较高的物料，如：各种面团功率消耗大；工作转速较低n=20～80rpm,常用：n=30～40rpm（2）面团种类：①液体面浆：水调和粘度常用打蛋机②酥性面团：含油含水面筋含量弹性可塑性③韧性面团：含油含水面筋含量弹性可塑性④水面团：油水调和面筋含量弹性可塑性调粉机按容器轴线分卧式：容器轴线水平单轴式双轴式切分式重叠式立式：容器轴线垂直（3）分类2、卧式调粉机组成：搅拌桨、容器、传动系统、容器翻转机构、机架等调粉机：卧式双轴重叠式4变速可翻转调粉机：卧式双轴温控冷却水套3、搅拌桨不同形式的搅拌桨：搅拌效果适合面团功率消耗调和时间不同（1）Z形与∑形搅拌器整体锻造强度大有利于面筋形成水面团、韧性面团（2）桨叶式搅拌器对面团有剪切作用，不利于面筋形成酥性面团（3）滚笼式搅拌器有利于面筋形成，作用缓和，时间稍长水面团、韧性面团容器推荐尺寸:R、L、h与调和容量有关参考值：一次调份量为25kg;R=150mm,L=500mm,h=300mm一次调份量为50kg;R=240mm,L=700mm,h=400mm一般：hR;最大h=2R;以防止面粉飞溅注：搅拌器回转半径R,小于10～20mm4、调和容器5、搅拌功率目前尚无理论计算公式，有关和面机技术条件规定：N空≤25%N电机额定功率N负载≥N额定功率推荐不同容量调粉机功率调粉机容量（kg)配用电机功率（kw)2550751002.23.04.05.56、立式调粉机混合对象：固体物料（松散性↑流动性↑）如：谷物、面粉等种类：回转容器型、固定容器型二、回转容器型第四节混合机一、混合机理三、固定容器型均质是一种特殊的混合操作，包括粉碎、混合双重作用。作用：通过乳化均质处理，使两种通常不相容的液体进行密切混合，使一种液体粉碎成为极细微粒或小液滴，分散在另一种液体中，其产物为乳状液。应用：乳品、果汁、冰激淋等。第五节均质机一、均质及均质操作的作用1、剪切学说：二、均质机工作原理目前均质机工作过程机理有三种假说：一般：在缝隙中心处液体流速最大，在缝隙避面处液体流速最小速度梯度剪切力脂肪球破裂均质均质头结构均质前后的脂肪球分类：高压均质机胶体磨喷射均质机离心均质机超声波均质机三、均质机分类与结构２、撞击学说高压作用脂肪球与均质阀发生高速撞击脂肪球破裂均质３、空穴学说高压液料高速流动高频振动液料交替压缩与膨胀引起空穴脂肪球破裂均质1、高压均质机（1）结构：往复泵+均质阀均质机的结构工作原理①往复泵→单作用泵②往复泵→双作用泵60120180240300360420480540600660Q720双作用泵排量图60120180240300360420480540600660660720Q单作用泵排量图均质头的结构双级均质阀第一级：高压流体区压力：200～250大气压作用：使脂肪球破碎第二级：低压区：压力：35大气压作用：使脂肪球均匀分散znsd4260QM3/h（2）高压均质机生产能力计算式中：d—柱塞直径（m)s—柱塞冲程（m)z—柱塞个数n—柱塞往复次数（次/分）φ—工作体积填充系数，φ=0.8～0.9