Оборудование для соединения компонентов перемешиванием с получением тестообразных продуктов и жидких смесей.

С процессом формования пищевых масс неразрывно связан подготовительный процесс перемешивания вязких сред, получаемых из исходных компонентов сырья.

Так, например, в макаронной и хлебопекарной промышленностях смешение муки, воды и других ингредиентов преследует цель получения высококачественного теста. В кондитерской промышленности смешение орехосодержащих сыпучих масс с жирами и другими компонентами позволяет получить вязко-текучую массу, отвечающую необходимым требованиям ее формования.

В производстве консервов и мясопродуктов смешение осуществляется на фаршсмесительных машинах. В молочной промышленности процессу формования сыра предшествует вымешивание компонентов в ванне с мешалкой.

Перемешивание сопровождается интенсификацией физико-химических, коллоидных и биохимических процессов, приводящих к получению полуфабрикатов со свойствами, необходимыми для последующего формования изделий.

Можно выделить группы явлений, сопутствующих перемешиванию вязких сред, это: взаимосмешение самих сред, их темперирование, выравнивание концентраций частиц в их объеме и диспергирование.

Главное направление исследовательских работ по перемешиванию вязких сред связано с повышением эффективности перемешивающих устройств. При этом сравнение производится по величине потребной мощности на единицу объема при достижении идентичных технологических показателей готовности полуфабриката к формованию.

Способ формования пищевых масс зависит от вязкости сред, а при различных вязкостях эффективны соответствующие им конструкции смесителей. Это связано с тем, что, например, при подготовке к формованию тестовых масс, мясного фарша, творожных изделий необходимо получение высоковязких систем, которые при формовании сохраняли бы форму и размер. При формовании же конфетных шоколадных масс отливкой необходимо получение полуфабриката с высокотекучими свойствами.

Для мешалок различного типа обычно приводятся области рекомендуемых вязкостей [2, стр. 71]. Вязкость перемешиваемых масс может меняться от 0,1 ¸ 1,0 Па × с, до 100 и более Па × с.

В первом случае рекомендуются лопастные, либо пропеллерные мешалки, во втором – якорные, турбинные, рамные и др. типов.

С гидродинамической точки зрения процесс перемешивания сводится к взаимодействию рабочих органов и корпуса смесителя с вязкой средой. Указанное взаимодействие зависит от структуры и характера потоков, возникающих в вязкой среде от вращения перемешивающих устройств.

Как известно вращательное движение жидкости может быть статическим и динамическим. Статическое вращение характеризуется постоянством угловой скорости вращения w для всех точек среды, т.е. w = const, а скорости выражаются уравнением:

V_ст = wr,

где V_ст – окружная скорость вращения, м/с; r – радиус вращения, м.

В результате такого вращения возникает вихревой столб, в котором все частицы жидкости находятся в относительном покое и трение между слоями отсутствует.

По мере удаления от оси вращения и приближения к внутренним стенкам смесителя окружная скорость V_ст сначала возрастает, а затем уменьшается и на стенках аппарата становится равной нулю. Следовательно, в объеме смесителя существует не только статическое вращение. В действительности наряду со статическим на периферии смесителя возникает динамическое вращение жидкости, для которого характерно изменение скорости по закону.

, где С – константа.

Из этого равенства видно, что с увеличением радиуса r скорость вращения V_д стремится к нулю, что лучше соответствует физике процесса.

Расчет потребной мощности на перемешивание производится по уравнениям, аналогичным приведенным ранее для сепараторов. Методом анализа размерностей можно показать, что отношение потребной мощности N к произведению r × n³ × R⁵ (где r - плотность перемешиваемой среды, кг/м³; n – частота вращения мешалки, 1/сек; R – радиус емкости, в которой ведется перемешивание) является безразмерным и зависит только от безразмерных критериев. Основным, как показывает и опыт, и анализ, является критерий Рейнольдса – Re. Это позволяет оценивать потребную мощность по принятым значениям r, n, R и m, где m - вязкость перемешиваемой среды.

Эффективное выравнивание состава смесей достигается за 300–500 оборотов мешалок.

При расчетах аппаратуры следует учитывать, что вязкость суспензий зависит от объемной доли твердой фракции j_v. При малых значениях j, т.е. при j << 1, m = (1 ¸ 2,5j_v). Сама объемная доля твердой фракции оценивается из соотношения:

.

Если объем или масса твердой составляющей больше, чем жидкой, то вязкость более резко увеличивается с ростом доли j. Для эмульсий вязкость смеси определяется вязкостью жидкости, доля которой больше 0,7. Если же доля добавляемой более вязкой фазы превышает 0,3, то вязкость смеси может превышать вязкость менее вязкой фазы.

При приготовлении, например, теста, следует учитывать не только изменение его вязкости при изменении скорости вращения (скорости сдвига - ), но и изменения, обусловленные набуханием клейковины (белковой составляющей в муке), зависящей от температуры и от ее содержания.

В данном случае обычное выравнивание критерия Рейнольдса целесообразно представить в следующей форме: Re @ N × D_м², где N – мощность, а D_м – диаметр мешалки, равный примерно ⅓ от диаметра дежи. Величина N связана со скоростью сдвига , которую оценивают из соотношения: = 13n, 1/мин. В этом соотношении n означает частоту вращения мешалки в об/мин. Так как тесто не подчиняется закону Ньютона, т.е. не является Ньютоновским телом, то для расчета мощности расходуемой на перемещение тестомесильных органов сначала оценивают усилие, действующее на 1 м² мешалки применяя уравнение Сен-Венана. В частности для макаронного теста оно имеет вид:

τ = 1,23 × 10^{-5 0,31}, Н/м².

Определив площадь контакта месильных органов с тестом и обозначив ее через А, получим выражение для потребной мощности в следующем виде:

N = A × τ × V_м, где V – максимальная скорость мешалки.

В результате получим, что N = А × 1,23 × 10^{-5 0,31} p × n/60, ватт.

Следует отметить, что на практике оценка оборудования для перемешивания проводится не путем расчетов, а на основе инженерного опыта. При этом, оценки проводятся не сразу для промышленного оборудования, а сначала для моделей. При этом испытываются именно тестообразные массы. Условно границей между тестом и жидкостью принимается вязкость равная 100 Па × с.

Сложность процессов перемешивания, трудноучитываемые изменения реологических свойств теста привели к разработке автоматической системы, суть которой состоит в изменении количества дрожжевого раствора при изменении вязкости. В оборудование встроен вискозиметр, который управляет дозатором расхода дрожжевого раствора, что обеспечивает не только постоянство вязкости, но и стабильность свойств теста.

Приведенный способ управления применяется в установках непрерывного действия.

Вообще же по принципу работы этот вид оборудования делят на смесители периодического и непрерывного действия.

Для подготовки пищевых масс к формованию применяют самые разнообразные конструкции перемешивающих машин. Наибольшим разнообразием отличаются машины, применяемые для замеса теста. Замес теста в машинах периодического действия осуществляется как в подкатных дежах, так и в установленных стационарно. При этом замес осуществляется рабочими органами разнообразных конфигураций, совершающими пространственное перемещение в объеме дежи.

В машинах непрерывного действия замес теста осуществляется рабочими органами, расположенными на валах месильных емкостей [1, стр. 73, р. 3.14].