3. Механические процессы

3.1. Измельчение материалов

Сущность и назначение измельчения. В общем виде процесс измельчения можно определить как деление какого-то твердого (или условно твердого) материала на части. Любой процесс измельчения сопровождается увеличением поверхности контакта исходного материала с окружающей средой, сохранением объ­ема материала и увеличением количества частей или частиц ма­териала.

Процессы измельчения, которые часто называют процессами дезинтеграции, различного рода сырья и материалов имеют ог­ромное распространение во многих отраслях народного хозяй­ства. В общественном питании измельчение осуществляют в сле­дующих целях: для подготовки сырья к приготовлению пищи, придания продукту требуемой консистенции, порционирования продукта, утилизации отходов сырья и остатков пищи.

Значительная часть продуктов, используемых в обществен­ном питании, при измельчении легко поддается деформации и имеет большую влажность: мясо, хлеб, овощи, рыба и т. д. Эти продукты могут быть отнесены к условно твердым.

Классы и степень измельчения. В зависимости от размеров кусков исходного материала и конечного продукта измельчение подразделяют на два основных вида: дробление и помол, или размол. Дробление – это процесс измельчения крупных кусков, помол – мелких. Дробление и помол в свою очередь подразде­ляются на несколько классов (табл. 1).

Таблица 1. Классификация дробления и помола

Класс измельчения	Размер кусков исходного материала, мм	Размер кусков (частиц) измельченного материала, мм
Дробление:
крупное	1000	250
среднее	250	25
мелкое	20	1-5
Помол:
грубый	1-5	0,1-0,04
средний	0,1-0,04	0,015-0,005
тонкий	0,1-0,04	0,005-0,001
коллоидный	0,1	менее 0,001

Способы измельчения. Способы измельчения (рис. 20) под­разделяют на следующие: раздавливание, раскалывание, раз­ламывание, резание, распиливание, истирание, измельчение с помощью удара.

При раздавливании под действием нагрузки, создаваемой си­лой F на нажимную плиту, материал деформируется по всему объему. При этом внутреннее напряжение в нем постепенно повышается. При повышении внутреннего напряжения выше пре­дела прочности сжатия материал разрушается. При этом обра­зуются частицы различного размера и различной формы.

Рис. 20. Способы измельчения:

а – раздавливание; б – раскалывание с опорной плитой;

в – раскалывание между клинообразными рабочими элементами;

г – разламывание; д – резание; ж – рас­пиливание; з – истирание;

и – измельчение при стесненном ударе; к – измельче­ние при свободном ударе:

1 – опорная плита; 2 –измельчаемый материал; 3 – нажимная плита;

4 – клинообразный рабочий инструмент; 5 – опоры; 6 – нож;

7 – пила; 8 – ударяющий инструмент

Процесс раскалывания осуществляется за счет создания боль­ших концентраций нагрузок в местах контакта материала с кли­нообразным рабочим элементом, на который воздействует сила F.

Процесс разламывания осуществляется за счет воздействия изгибающих сил F. Размеры и форма получаемых частиц при­мерно такие же, как и при раскалывании.

Процесс резания осуществляется лезвиями (ножами), под действием которых создается усилие F, направленное под опре­деленным углом к измельчаемому материалу. Кроме того, ножи совершают движение в плоскости, параллельной плоскости раз­деления материала. При резании материал можно измельчить на части заранее выбранных размеров и форм.

Распиливание осуществляется за счет использования пил, зу­бья которых представляют собой ножи. Воздействие пилы осу­ществляется путем нажима ее на измельчаемый материал, а также перемещения пилы в плоскости измельчения. Процесс распиливания легко управляем, что позволяет получить куски требуемых размеров.

Процесс истирания применяется при тонком и коллоидном помолах. Этот процесс осуществляется под воздействием на ма­териал сил, возникающих за счет перемещения опорной и на­жимной плит в противоположные стороны. На нажимную плиту оказывает внешнее воздействие сила F.

Процесс дробления за счет удара может быть осуществлен в двух вариантах: стесненным ударом, осуществляемым каким-либо твердым ударяющим инструментом, и свободным ударом за счет столкновения измельчаемого материала с твердой по­верхностью опорной плиты.

Машины и аппараты для измельчения. Эти машины, применяемые в пищевой промышленности и общественном питании, характеризуются большим многообразием конструктивных форм.

Ниже рассмотрены лишь некоторые из типов машин и аппа­ратов для измельчения.

Щековая дробилка (рис. 21) работает на принципе раздав­ливания. Материал, подвергаемый измельчению, загружают между щек. За счет усилий, оказываемых на подвижную щеку, материал раздавливается.

Рис. 21. Схема щековой дробилки:

1 – неподвижная щека; 2 – измель­чаемый материал; 3 – подвижная щека

В конусных дробилках (рис. 22) дробле­ние осуществляется за счет раздавливания и истирания. Исходный материал загружается в пространство, образованное между наружным неподвижным и внутренним вращаю­щимся конусами. Последний расположен экс­центрично по отношению к наружному конусу. Во многих конусных дробилках внутренний конус имеет изменяющуюся ось вращения, т. е. приводной вал, вращаясь, описывает ко­нусообразную поверхность.

Достаточно широкое распространение имеют вальцовые, или валковые, дробилки (рис. 23). Измельчаемый материал захваты­вается вальцами и, проходя между ними, дробится. Вальцовые дробилки работают на принципе раздавливания и истирания. Известны вальцовые дробилки, у которых оба вальца имеют одинаковую частоту вращения, а также у которых один из вальцов вращается с меньшей частотой, чем другой. В этом случае эффект истирания усиливается.

Рис. 22. Схема конусной дробилки:

1 – наружный неподвиж­ный конус; 2 – измельчае­мый материал;

3 – внутрен­ний подвижный конус

По принципу измельчения за счет стесненного удара рабо­тают молотковые дробилки (рис. 24). Через загрузочный бун­кер измельченный материал поступает в рабочую камеру, где он подвергается воздействию молотков, насаженных на стержни, вращающиеся вокруг центральной оси. Измельченный материал выходит из камеры через перфорированное днище.

Рис. 23. Схема вальцовой (валковой) дробилки:

1, 3 – вальцы (валки); 2 – измельчаемый материал

Рассмотренные машины и аппараты предназначены для круп­ного, среднего и мелкого дробления. В некоторых из них можно осуществлять грубый помол.

Далее рассмотрим аппараты, на которых производят грубый и средний помолы. На принципе стесненного удара и истирания работают дисковые дробилки, часто называемые дезинтеграто­рами (рис. 25). Из загрузочного бункера измельчаемый мате­риал поступает в камеру дезинтегратора и попадает между паль­цами неподвижного и подвижного дисков. В зазорах между пальцами происходит дробление. Измельченный продукт выхо­дит через разгрузочный патрубок. В некоторых дезинтеграторах вращаются оба диска с пальцами, вращение их осуществляется в разные стороны.

Рис. 24. Схема молотковой дробилки:

1 – загрузочный бун­кер; 2 – измельчаемый материал; 3 – рабочая камера;

4 – молотки; 5 – перфорированное днище

Рис. 25. Схема дисковой дробилки (дискового дезинтегратора):

1 – разгрузочный патрубок; 2 – камера; 3 – вращающийся диск; 4 – пальцы;

5 – загрузочный бункер; 6 – приводной вал; 7 – неподвижный диск

В промышленности широко применяются шаровые мельницы. Принцип их работы основан на использовании удара и истира­ния. Шаровые мельницы представляют собой цилиндр, вращаю­щийся вокруг своей оси (рис. 26). Внутренняя полость ци­линдра заполнена шарами, изготовленными из твердых мате­риалов, чаще всего металла. Шары вместе с измельчаемым материалом при вращении корпуса мельницы поднимаются на некоторую высоту, затем под действием силы тяжести они падают и ударяют по материалу, заключенному между ними.

По принципу истирания работают измельчители, в которых в качестве рабочих органов используют жернова.

Рис. 26. Схема перемещения шаров в шаровой мельнице:

1 – корпус; 2 – измельчаемый материал; 3 – шары

Измельченный материал через коническое отверстие в верх­нем жернове поступает в зазор между ним и нижним жерновом. В этом зазоре происходит измельчение. Оба жернова враща­ются в разные стороны.

Все рассмотренные выше аппараты предназначены для из­мельчения твердых материалов и продуктов. Однако в общественом питании и пищевой промышленности часто возникает необходимость измельчения сырья и продуктов, которые со­стоят из твердых и мягких компонентов. К такому ценному сы­рью относятся, например, мясокостная, в частности реберная, часть мясных туш, позвоночник рыбы.

В настоящее время для измельчения мясокостного сырья при­бегают к его предварительному замораживанию при температу­рах 30-20 °С. Замораживание сырья позволяет измельчить его до частиц размером 10-50 мкм. Такое тонкое измельчение позволяет использовать мясокостное сырье в фаршах, особенно при производстве некоторых видов колбас, колбасок, котлет, люля-кебаба и т. п.

В общественном питании достаточно тонкому измельчению в больших количествах подвергают вареные овощи, свежие ягоды и фрукты. Для этой цели служат специальные измельчительные машины, называемые протирочными. В настоящее время известно много разных типов протирочных машин и устройств.

Рассмотрим их работу на примере протирочной машины для ягод и фруктов (рис. 27). Продукт, подвергаемый протирке, поступает из бункера в перфорированный цилиндр, в котором расположены вращающиеся рабочие лопасти. Центробежной си­лой продукт прижимается к перфорированному цилиндру. Под воздействием лопастей происходит его раздавливание и исти­рание. Будучи измельченным до пастообразного вида, продукт через перфорацию цилиндра поступает в корпус и оттуда в раз­грузочный патрубок.

Резание. Резание занимает в общественном питании наиболее важное место среди других процессов из­мельчения продуктов. Резанию подвергается большинство видов сырья, полуфабрикатов и про­дуктов.

Основная цель процесса резания заключается в разделении первона­чального продукта на части. Во мно­гих случаях эти части должны иметь определенную форму и размеры, а также требуемое качество поверх­ности среза.

Рис. 27. Схема протирочной машины для ягод и фруктов:

1 – разгрузочный патрубок; 2 – корпус; 3 – перфорированный цилиндр;

4 – приемный бункер; 5 – рабочие лопасти; 6 – приводной вал