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食 品 机 械第七章 食品混合机械与设备第一节概述一、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（3）促进溶解（4）气体吸收,等等实现物料的物理化学变化三、混合的对象（1）牛顿流体(流体力学性质分)液液混合物 固液混合物 非牛顿流体(流体力学性质分)高粘度糊状物 粘滞性面团（2）气体、液体、半固体及干散物料(按物相分)混合机 搅拌机调和机第一节概述四、均质操作 均质是一种特殊的混合操作，指借助流动产生的剪切力将物料细化、将液滴碎化的操作。五、均质的作用 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。六、均质的应用 乳品、果汁、冰激淋等生产中。第一节概述七、混合操作 使两种或以上的不同物料从不均匀状态通过搅拌或其它手段达到相对均匀状态的过程操作。八、混合的作用 促进溶解、吸附、浸出、结晶、乳化、生物化学反应、防止悬浮物沉淀及均匀加热和冷却等等。九、混合的类型 液-液、固-固、固-液、固-液-气（蛋液搅拌、充气糖果及冰淇淋等）。第一节概述第二节搅拌机 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：第二节搅拌机（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 混合速度第二节搅拌机主体对流涡流对流宏观混合液体分子间的运动 微观混合2、分子扩散混合 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。高粘度物料的混合过程，主要是剪切作用。三种机理同时存在，只是不同机种、物料及阶段而有所不同，习惯上有搅拌、混合、捏合与调和设备之分。第二节搅拌机三、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置于一容器中第二节搅拌机容器内液体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。（理论值）第二节搅拌机 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：或（当样品中CA CA0时）（当样品中CA CA0时）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：第二节搅拌机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第二节搅拌机 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，说明单凭调匀度不能反映混合物的均匀程度。第二节搅拌机四、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。第二节搅拌机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，2000c p。d、桨转速较高，圆周速度u=515m/s n=100500rpme、dj=(0.20.5)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：P146图7-4第二节搅拌机（2）涡轮式搅拌器 相似于无壳的离心泵 组成：圆盘、轴、叶片（48）特点：流型：径向流型 伴有 轴向流 切向流 有两个回路 易产生“分层效应”（不适于混合含有较重固体颗粒悬浮液）第二节搅拌机 dj=（0.20.5)D (0.33居多)dj：L：b=20：5：4 适合混合中低粘度的物料，5000c u=4-8m/s n=10-300rpm。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。第二节搅拌机（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5000c p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D n 的桨第二节搅拌机桨叶尺寸大，dj/D=0.50.8 宽度大,b：dj=0.1-0.25转速低,u=1.52m/s；n=1100 rpm流型：径向流、切向流 如桨叶倾斜，可产生小范围轴向流适合低粘度物料5000CP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：第二节搅拌机（4）锚式搅拌器结构：特点：适合 可达10000cp d j/D=09-0.98；b/D=0.1；h/D=0.48-1 转速 u=0.5-1.5m/s n=1-100rpm 搅动范围大，不会产生死区 流型：主要是切向流，基本不产生轴向流第二节搅拌机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。第二节搅拌机（3）容器容量及结构尺寸 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 发酵容器第二节搅拌机搅拌容器装满程度用装满系数 表示：=Vg/V 式中:V g-实际盛装物料的容积 V-容器全容积 =0.6-0.85如搅拌过程中起泡沫或呈沸腾状态 =0.6-0.7 (取低值)当物料反映平稳或粘度较大时 =0.8-0.85 (取高值)搅拌容器装料量第二节搅拌机容器直径与高度 确定方法：先初算(忽略封头容积)，后较核计算，直径计算：将H/D 及V=V g/代入注：D应圆整为标准直径第二节搅拌机容器高度计算：式中:v 封头部分容积注：H应圆整校核：H/D 及值是否在推荐范围内第二节搅拌机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 几乎不存在轴向混合，会出现分离现象。液面下凹，有效容积降低。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。第二节搅拌机（3）常见消除打旋的方法 偏心安装倾斜安装側壁安装 消除打旋最简单常用的方法是在容器内加设挡板（4）挡板的作用第二节搅拌机挡板作用：消除打旋 将切向流改变为轴向流和径向流 增大液体的湍动程度W b 挡板宽度d j 液轮直径 n b 挡板数目通常（5）充分挡板化 实践证明：实现充分挡板化的条件第二节搅拌机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，桨对中安装时，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（=12000cp）流体粘度足以抑制打旋，可不加挡板。第二节搅拌机4、轴封 （1）填料密封 特点：结构简单 成本低 对轴磨损大 摩擦功耗大 需经常调整第二节搅拌机（2）机械密封 特点：密封可靠 对轴无磨损 摩擦功耗小 使用寿命长 无需调整 结构复杂 成本高第二节搅拌机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：d j 、D、H 、W b 运动参数：n 物性参数：、影响功率因素：N=f(n，dj，g)找出无因次数群搅拌功率关联式第二节搅拌机式中：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第二节搅拌机用 式中：功率因素 当加设挡板时，消除打旋，Y=0,Fr=1.=Np=k Rex 对数式：logNp =logK +XlogRe 以或Np为纵坐标，以Re为横坐标绘制 功率曲线第二节搅拌机（1）Re10时，(层流区）为直线，斜率为-1 logNp =logK logRe 将Np,Re代入得 N=Kn2 dj3 试验测得：k1 当 n=C，N.dj3 （2）10 Re 104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二节搅拌机第三节调和机一、概述1、调和机混合对象 粘性高的非牛顿物料2、a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。a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。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、机座等第三节调和机2、搅拌器（1）搅拌头组成：内齿轮、行星轮、转臂、搅拌桨 公转与自转之间的关系n z-搅拌桨自转转速（150500rpm)n G-搅拌桨公转转速（70270rpm)第三节调和机（2 2）搅拌桨）搅拌桨第三节调和机3、调和容器及容器升降机构 材料：不锈钢 容器升降机构第三节调和机4、传动系统 电机带动齿轮传动三、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=2080rpm，常用：n=3040rpm 第三节调和机（2）面团种类：液体面浆：水调和 粘度 常用打蛋机酥性面团：含油 含水 面筋含量 弹性 可塑性韧性面团：含油 含水 面筋含量 弹性 可塑性水面团：油水调和 面筋含量 弹性 可塑性调粉机第三节调和机按容器轴线分 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）分类第三节调和机2、卧式调粉机 组成：搅拌桨、容器、传动系统、容器翻转机构、机架等第三节调和机调粉机：卧式 双轴 重叠式 4变速 可翻转第三节调和机调粉机：卧式 双轴 温控 冷却水套第三节调和机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）第三节调和机容器推荐尺寸: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：h R;最大h=2R;以防止面粉飞溅 注：搅拌器回转半径 R,小于1020mm4、调和容器 第三节调和机5 5、搅拌功率、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（k w)2550751002.23.04.05.5第三节调和机6、立式调粉机第三节调和机第四节混合机二、回转容器型二、回转容器型一、混合机理一、混合机理三、固定容器型三、固定容器型 本节内容自学，从以下三个方本节内容自学，从以下三个方面去学习，找出各设备的结构、工面去学习，找出各设备的结构、工作原理、特点及适用范围等。作原理、特点及适用范围等。一、均质操作 通过机械作用或流体力学效应造成高压、挤压冲击、失压等，使物料在高压下挤研，强冲击下发生剪切，失压下膨胀，在这三重作用下达到细化和混合均质的作用。第五节均质机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 脂肪球破裂均质均均质质头头结结构构第五节均质机均质前后的脂肪球第五节均质机分类：高压均质机 胶体磨均质机 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、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、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 脂肪球破裂均质第五节均质机1、高压均质机 （1）结构：往复泵、均质阀、传动机构和壳体。第五节均质机往复泵往复泵第五节均质机泵阀应具备以下一些基本要求：泵阀应具备以下一些基本要求：第五节均质机工作平衡，开启及时，关闭速度和关阀工作平衡，开启及时，关闭速度和关阀滞后角均不应大于允许值，以减小冲击滞后角均不应大于允许值，以减小冲击和回流损失；和回流损失；密封可靠，以避免或尽量能减少泄漏损密封可靠，以避免或尽量能减少泄漏损失；失；水力损失小，否则会影响泵的效率和其水力损失小，否则会影响泵的效率和其他水力特性；他水力特性；具有足够的强度、刚度，以确保在一定具有足够的强度、刚度，以确保在一定的工作压力上可靠工作，具有较长的使的工作压力上可靠工作，具有较长的使用寿命；用寿命；结构简单，装拆、维修方便，互换性好。结构简单，装拆、维修方便，互换性好。均质头均质头第五节均质机单级均质头单级均质头双级均质阀 第一级：高压流体区 压力：200250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M3/h（2）高压均质机生产能力计算第五节均质机（3）常见故障：）常见故障：1、流量不足，达不到工艺要求、流量不足，达不到工艺要求2、压力表指针跳动严重、压力表指针跳动严重3、密封圈损坏、密封圈损坏第五节均质机2、胶体磨均质机卧式胶体磨立式胶体磨第五节均质机 以机械剪切力为主，进行乳化分以机械剪切力为主，进行乳化分散的超微粉碎、均质机械。散的超微粉碎、均质机械。工作原理：工作原理：胶体磨属定转子系统，定胶体磨属定转子系统，定转子为同轴构件，转子高速转动，间转子为同轴构件，转子高速转动，间隙可微调，物料在其间有速度梯度，隙可微调，物料在其间有速度梯度，受到强烈的剪切摩擦和湍流搅动而乳受到强烈的剪切摩擦和湍流搅动而乳化。化。分类：分类：按传动轴的空间安装位置可分按传动轴的空间安装位置可分为立式与卧式两种。为立式与卧式两种。应用应用胶体磨用于冰淇淋、炼乳和奶粉等胶体磨用于冰淇淋、炼乳和奶粉等乳制品的生产。乳制品的生产。用于炼乳的生产，目的是粉碎炼乳用于炼乳的生产，目的是粉碎炼乳中的脂肪球，防止炼乳在贮藏期易中的脂肪球，防止炼乳在贮藏期易于上浮成于上浮成“脂肪游离脂肪游离”。对于高粘度物料，胶体磨更加适宜。对于高粘度物料，胶体磨更加适宜。经加工后，组织状态均匀且有光泽。经加工后，组织状态均匀且有光泽。如生产可可饮料。如生产可可饮料。第五节均质机3、超声波均质机超声波原理：超声波原理：物料在超声波发生器物料在超声波发生器作用下会产生作用下会产生“空穴空穴”现象，在其现象，在其周围有很大的压力和高温，产生强周围有很大的压力和高温，产生强大的机械搅拌作用而均质。大的机械搅拌作用而均质。常用的超声波：常用的超声波：2025KHz的超声波的超声波发生器发生器超声波形式：超声波形式：机械式、磁控式和压机械式、磁控式和压电晶体式等。电晶体式等。第五节均质机4、离心式均质机工作原理：工作原理：料液在高速转鼓中的惯料液在高速转鼓中的惯性力作用分成大、中、小三相，大性力作用分成大、中、小三相，大的到鼓壁，中的由上方管排出，小的到鼓壁，中的由上方管排出，小的到上室中一带尖齿的圆盘，绕其的到上室中一带尖齿的圆盘，绕其高速旋转产生局部漩涡均质。高速旋转产生局部漩涡均质。结构：结构：转鼓转鼓-离心作用离心作用 带齿圆盘带齿圆盘-均质均质特点：特点：一机两用，省钱一机两用，省钱 均质度一致均质度一致 对材质要求高，强度高且轻对材质要求高，强度高且轻第五节均质机四、均四、均质机的机的选型与使用型与使用一、选型依据一、选型依据1、物料特性与工艺要求、物料特性与工艺要求2、生产线的生产量、生产线的生产量3、尽量做到一机多用、尽量做到一机多用4、尽量选用新型高效的设备、尽量选用新型高效的设备第五节均质机二、操作时的注意事项二、操作时的注意事项1、禁止空转；、禁止空转；2、先给设备通冷却水；、先给设备通冷却水；3、启动后，先调一级压力，再调二级、启动后，先调一级压力，再调二级压力，物料要进行一定时间的循环均压力，物料要进行一定时间的循环均质；质；4、物料的颗粒有一定的要求，不能太、物料的颗粒有一定的要求，不能太大；大；5、物料的粘度不能太高；、物料的粘度不能太高；6、使用后一定要清洗干净。、使用后一定要清洗干净。第五节均质机本章作业本章作业1、简述搅拌设备的结构及其作用。、简述搅拌设备的结构及其作用。2、均质工作机理是什么？、均质工作机理是什么？