小麦粉磨辊温度对其品质的影响

小麦粉磨辊温度对其品质的影响

从英国ganz公司开始，17世纪初的英国贵族公司开始制造铸铁弹簧。在瑞石人和匈奴人的合作下，发明了辊式磨粉机。铸铁辊的出现极大地促进了谷物粉技术的进步。第二次世界大战后，美国一家制造公司通过冷处理技术生产了一种离心铸造合金辊，这奠定了现代辊产量的基础。目前,辊式磨粉机仍然是面粉厂的主要粉碎研磨设备,而磨辊是磨粉机的“心脏”,所以磨辊的技术性能直接影响和决定着磨粉机出粉的品质。目前在小麦粉生产过程中,由于磨粉机长时间连续工作,辊与物料的挤压、摩擦使得磨辊和物料发热严重,磨辊表面平均温度普遍达到60~80℃。表1是2012-10-10在某面粉厂实际测量磨粉机工作10h后的磨辊表面温度,测试环境温度是28℃。目前国内许多面粉厂也都普遍认识到,加工中过高的温度将破坏小麦粉中的一些营养成分,使小麦粉的食用品质受到影响。针对上述存在的问题,世界致力于磨粉加工的科技工作者一直积极从事降低磨辊温度的研究,设计和发明了多种冷却式磨辊和冷却方法,如水冷却式磨辊、风冷却式磨辊、热管式冷却磨辊等,并逐步在实际生产中推广使用,取得了一定的效果。1水冷磨辊的热压加工水冷式磨辊的方法是通过冷却水箱和复杂的冷却水回路将冷却水送入磨辊,冷却水在磨辊内循环,从而吸收并带走热量,使磨辊冷却降温。磨辊通水冷却,一般是在快辊的非皮带轮一端进水,进水的一端同时也是回水端。由于水的比热容较大,可带走磨辊研磨过程中产生的很大一部分热量,所以这种冷却方式具有良好的效果。20世纪,国内外研究较多的是磨粉机磨辊水冷装置。它是将磨辊轴头加工成空心,并使其与辊体的内腔相连通,轴头一端进水,另一端出水,达到冷却磨辊的效果。国内出现的水冷磨辊结构如图1所示。它采用在轴上钻孔通水冷却的方法来达到降低磨辊工作温度的要求。当磨辊工作时,冷却水随磨辊旋转,其离心惯性力与重力相抵消,使磨辊腔内的冷却水能在进水压力作用下,从进水管流向出水管。同一端进出水冷却结构的水冷式磨辊是英国鲁滨逊公司和瑞士布勒公司的专利项目。其特点是冷却水从辊轴的同一端进出,且只有快辊装水冷却,慢辊不冷却,其结构如图2所示。装在接水盒上的喷嘴1将冷却水喷向接受喷嘴3,水进入磨辊内腔的铜管5,铜管5的左端开有若干小孔,因闷头6封堵了铜管5和磨辊左辊端,所以水只能流入左轴孔,由左至右地流入辊腔,冷却磨辊后再由右轴孔经锥形甩水杯4,送入接水盒2排出。1978年,河北邯郸粮机厂生产了一种水冷式磨辊,它的磨辊中间是大空心,两端轴孔是小空心。在浇铸时,先把两头小孔做成一个三只螺栓与端盖连接好的圆盘,圆盘随离心机磨辊冷模一起旋转,磨辊浇铸成型后,圆盘就连接在磨辊上。此种水冷磨辊在快辊链轮一端进水,结构简单。但是喷水管较长,单头支撑比较困难。1999年漯河海潮粮食机械厂的王应昂公布了一项涉及磨粉机磨辊散热的实用新型专利———磨粉机水冷却磨辊装置。它是在现有的实心磨辊中去掉生铁部分后,在合金辊筒两端分别加装端盖、空心辊轴、轴端水及气密性装置。两端盖的外端与合金辊筒成密封状态,构成辊鼓内腔,两端盖里面具有出水孔、环形水室及半圆形导流孔,而空心辊轴上则具有径向穿孔。来自冷却水池的冷却水经辊轴一端的中心孔及辊轴处于辊鼓内腔部位的两个径向穿孔流入辊鼓内腔,对辊鼓的合金辊套进行冷却,然后经辊轴上的另两个径向穿孔及辊轴另一端的中心孔流出,流出的冷却水直接进入循环水泵的进水口,再次打入冷却水池。采用这类水冷却技术的磨辊冷却效果较好,重量较轻,轴瓦温升低,一定程度上改善了产品的品质。现有的水冷式磨辊是将磨辊轴加工成空心,并使其与磨辊体的内腔连通。但限于磨辊刚度、强度等方面的要求,中空内腔尺寸不可能太大,因此冷却水距离磨辊外表面较远,冷却效果并不理想。针对上述情况,2012年甘肃农业大学张克平等人发明了一项关于水冷磨辊的实用新型专利,见图3。该磨辊体为中空柱形结构,磨辊体内设置环形槽和冷却水孔,磨辊体冷却水孔两端设置密封装置,磨辊轴内设置轴向孔和径向穿孔。磨辊轴轴向孔为盲孔,磨辊轴一端与磨辊体阶梯孔采用过盈配合,磨辊轴内的径向孔与磨辊体内的环形槽相通,磨辊体内的环形槽与冷却孔相通。冷却水经磨辊轴轴向孔、径向孔、磨辊体环形槽,导入磨辊体冷却水孔,然后从另一端排出,完成磨辊体的散热降温。装置中磨辊体冷却水管更靠近工作表面,冷却效果好,可以提高辊式磨粉机的研磨效率,同时也节约了磨辊耗材,降低了磨辊成本。磨辊通水冷却取得了良好的效果,水冷式磨辊不但能显著降低物料的温度,而且还能减少轴承润滑油的使用,延长磨辊一次拉丝的使用时间,节约能源;但同时也带来了相应的问题。首先,磨辊通水冷却最大的问题存在于水冷装置上,因为水冷装置经过多次拆装,循环水的滴、漏、跑、冒现象对物料加工构成威胁。其次,水冷装置比较复杂,在装拆的过程中增加了工作时间和工作量,另外维护的费用和难度也增加不少,这些都限制了水冷式磨辊的应用。由于水冷式磨辊需要和复杂的水冷却系统配合使用,造成安装水冷磨辊的磨粉机比普通的磨粉机价格高出较多,因此国内很少有面粉厂家使用安装有水冷式磨辊的磨粉机。日本国内对小麦粉的品质要求较高,目前日本国内面粉厂普遍使用水冷式磨辊。日本明治机械在日本生产的水冷式磨辊,在国内有较好的市场份额。日本面粉厂生产的小麦粉口感好,品质佳,这与水冷式磨辊的应用有很大的关系。2降低磨辊表面及磨下物料温度风冷却磨辊的方法是利用高速的气流与磨辊进行对流换热,从而将小麦粉加工中产生的热量带走,是目前普遍使用的一种冷却方式。高速的冷却风从吸风口进入磨粉机,与较高温度的磨辊进行对流换热,带走热量,被加热的气流从接料器处排出磨粉机,从而降低磨辊表面及磨下物料的温度。2010年,漯河市虎塔轧辊有限责任公司的孟德雨、刘春乾发明了一种利用风冷却的磨辊,见图4。该磨辊、辊体和轴径均为空心,轴径空心孔壁内加工有导流槽,该导流槽为轴向螺旋槽、斜槽或直槽等,槽形可为三角形、梯形或圆弧形等。磨辊工作中由于自身的转动,使其孔壁轴向的导流槽带动空气沿导流槽从一端进入,另一端排出。不需要外加任何动力就可实现磨辊轴内部的自动热交换,从而达到降低磨辊温度的目的。该磨辊结构简单,加工比较容易,使用寿命较长。但由于空气能携带的热量有限,远不如水。如果轴径的气流运动不畅,则效果不理想,所以风冷磨辊降低磨辊温度的能力不高。另外,磨辊长时间工作,磨粉机中的小麦粉可能会进入导流槽,堵塞导流槽,影响空气流动,使风冷失效。3旋转热管应用于磨辊冷却方式磨辊的研究热管技术是1963年美国洛斯阿拉莫斯(LosAlamos)国家实验室的乔治格罗佛(GeorgeGrover)发明的一种称为“热管”的传热元件,见图5。它充分利用了热传导原理与介质相变快速热传递性质。热管蒸发段受热,蒸发段把热量传给管芯内的工作液体,液体受热蒸发,并带走热量,该热量为工作液体的蒸发潜热,蒸汽从中心通道流向热管的冷凝段,凝结成液体,同时放出潜热,在吸液芯毛细压力的作用下,液体回流到蒸发段。这样,就完成了一个闭合循环,从而将大量的热量从加热段传到散热段,热管的导热能力超过已知任何金属,是金属传热的几百倍,目前热管技术已经广泛应用于需要散热和导热的行业。旋转热管作为众多热管型式中的一种,除具备热管良好的导热能力之外,还具有其他热管不具备的特性。国内对旋转热管在工业上应用做过大量的研究。金培玉等将旋转热管应用于磁粉离合器的散热,研制了一种新型磁粉离合器,经过实验测试和数据分析,发现该新型磁粉离合器比普通磁粉离合器具有更高的功率容量。黄维国等对旋转热管应用于三相异步调速电机上的散热进行了研究,发现电机温升比不带旋转热管的电机小,其转子热量大部分经热管工质传递到了空间。2009年河南工业大学武文斌等人将旋转热管成功应用于磨辊冷却当中,发明了实用新型专利———一种磨粉机的冷却式磨辊,见图6。该磨辊两端的辊轴上加工出一定尺寸的通孔,把制造完成的热管安装在通孔内,热管和通孔采用过盈配合。磨粉机在制粉过程中,辊体受热后将热量传递给热管的蒸发段,蒸发段内工作介质受热后蒸发汽化,流向冷凝段后冷凝放热,从而把辊体产生的热量源源不断的传递出来。同时冷凝段上安装散热翅片起到强化散热的目的。该结构可以保证磨辊在研磨过程中保持相对低的温度,降低温度对小麦粉品质的影响;延长磨辊一次拉丝的使用寿命,减少磨辊的更换周期;旋转热管可依靠管内工作介质相变循环散热,无需增加额外的动力装置。为了验证热管冷却式磨辊(图7)的工作效果,通过实验得到,冷却式磨辊启动性能和等温性能良好,可以明显降低物料和磨辊表面温度(降低10℃左右);但是该冷却磨辊的换热系数较低,热阻较大,传热效率不高,降低磨辊表面温度有一定的限度。2011年河南工业大学粮油机械研究所武文斌、杨军伟在2009年实用新型冷却磨辊的基础上,改进磨辊的整体结构,发明了一种新型的冷却式磨辊,与泰兴西桥轧辊厂合作生产了旋转热管换热器冷却磨辊,见图8。该磨辊最大的特点是把整个磨辊设计成一个旋转热管式换热器,提高了旋转热管的换热系数,减少了热管的热阻,冷却效果大大提高。该冷却磨辊辊轴是中空设计,磨辊轴一端设置散热管为冷却端,散热管设计制造有散热翅片,见图9。通过强化对流,实现散热冷却。磨辊体产生的热量直接被介质吸收气化,产生的气体高速流向散热管,经散热管散热降温后液化,流回磨辊体内腔,实现磨辊体的散热降温。介质直接与磨辊体接触,吸热效率高,散热效果好。从散热管散发出的热量被设置在磨粉机壳体上的风机抽出磨粉机壳外,避免热量在磨粉机壳体内堆积,从而保证磨粉机磨辊内外有较大的温差,提高散热管的散热效率。旋转热管式冷却磨辊通过辊体内部工质的相变传递大量的热量,不需要额外安装动力装置,设备简单易行,减少电耗,落下物料温度降低明显。江苏某面粉厂通过实验对比,旋转热管式冷却磨辊表面温度比普通对比磨辊表面温度低16~20℃(见表2)。4风冷式磨辊表3是三种冷却方式的综合对比分析。通过对比分析,目前最有效的冷却方式是通过水冷降低磨辊温度,但水冷磨辊成本高,装置复杂,滴水、漏水现象限制了它的发展。风冷式磨辊降低温度效果较差,只能作为辅助降温方法。热管式磨辊结构简单,冷却效果略低于水冷式磨辊,通过优化设计热