小麥粉磨輥溫度對(duì)其品質(zhì)的影響

從英國(guó)ganz公司開(kāi)始，17世紀(jì)初的英國(guó)貴族公司開(kāi)始制造鑄鐵彈簧。在瑞石人和匈奴人的合作下，發(fā)明了輥式磨粉機(jī)。鑄鐵輥的出現(xiàn)極大地促進(jìn)了谷物粉技術(shù)的進(jìn)步。第二次世界大戰(zhàn)后，美國(guó)一家制造公司通過(guò)冷處理技術(shù)生產(chǎn)了一種離心鑄造合金輥，這奠定了現(xiàn)代輥產(chǎn)量的基礎(chǔ)。目前,輥式磨粉機(jī)仍然是面粉廠的主要粉碎研磨設(shè)備,而磨輥是磨粉機(jī)的“心臟”,所以磨輥的技術(shù)性能直接影響和決定著磨粉機(jī)出粉的品質(zhì)。目前在小麥粉生產(chǎn)過(guò)程中,由于磨粉機(jī)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作,輥與物料的擠壓、摩擦使得磨輥和物料發(fā)熱嚴(yán)重,磨輥表面平均溫度普遍達(dá)到60~80℃。表1是2012-10-10在某面粉廠實(shí)際測(cè)量磨粉機(jī)工作10h后的磨輥表面溫度,測(cè)試環(huán)境溫度是28℃。目前國(guó)內(nèi)許多面粉廠也都普遍認(rèn)識(shí)到,加工中過(guò)高的溫度將破壞小麥粉中的一些營(yíng)養(yǎng)成分,使小麥粉的食用品質(zhì)受到影響。針對(duì)上述存在的問(wèn)題,世界致力于磨粉加工的科技工作者一直積極從事降低磨輥溫度的研究,設(shè)計(jì)和發(fā)明了多種冷卻式磨輥和冷卻方法,如水冷卻式磨輥、風(fēng)冷卻式磨輥、熱管式冷卻磨輥等,并逐步在實(shí)際生產(chǎn)中推廣使用,取得了一定的效果。1水冷磨輥的熱壓加工水冷式磨輥的方法是通過(guò)冷卻水箱和復(fù)雜的冷卻水回路將冷卻水送入磨輥,冷卻水在磨輥內(nèi)循環(huán),從而吸收并帶走熱量,使磨輥冷卻降溫。磨輥通水冷卻,一般是在快輥的非皮帶輪一端進(jìn)水,進(jìn)水的一端同時(shí)也是回水端。由于水的比熱容較大,可帶走磨輥研磨過(guò)程中產(chǎn)生的很大一部分熱量,所以這種冷卻方式具有良好的效果。20世紀(jì),國(guó)內(nèi)外研究較多的是磨粉機(jī)磨輥水冷裝置。它是將磨輥軸頭加工成空心,并使其與輥體的內(nèi)腔相連通,軸頭一端進(jìn)水,另一端出水,達(dá)到冷卻磨輥的效果。國(guó)內(nèi)出現(xiàn)的水冷磨輥結(jié)構(gòu)如圖1所示。它采用在軸上鉆孔通水冷卻的方法來(lái)達(dá)到降低磨輥工作溫度的要求。當(dāng)磨輥工作時(shí),冷卻水隨磨輥旋轉(zhuǎn),其離心慣性力與重力相抵消,使磨輥腔內(nèi)的冷卻水能在進(jìn)水壓力作用下,從進(jìn)水管流向出水管。同一端進(jìn)出水冷卻結(jié)構(gòu)的水冷式磨輥是英國(guó)魯濱遜公司和瑞士布勒公司的專(zhuān)利項(xiàng)目。其特點(diǎn)是冷卻水從輥軸的同一端進(jìn)出,且只有快輥裝水冷卻,慢輥不冷卻,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。裝在接水盒上的噴嘴1將冷卻水噴向接受?chē)娮?,水進(jìn)入磨輥內(nèi)腔的銅管5,銅管5的左端開(kāi)有若干小孔,因悶頭6封堵了銅管5和磨輥?zhàn)筝伓?所以水只能流入左軸孔,由左至右地流入輥腔,冷卻磨輥后再由右軸孔經(jīng)錐形甩水杯4,送入接水盒2排出。1978年,河北邯鄲糧機(jī)廠生產(chǎn)了一種水冷式磨輥,它的磨輥中間是大空心,兩端軸孔是小空心。在澆鑄時(shí),先把兩頭小孔做成一個(gè)三只螺栓與端蓋連接好的圓盤(pán),圓盤(pán)隨離心機(jī)磨輥冷模一起旋轉(zhuǎn),磨輥澆鑄成型后,圓盤(pán)就連接在磨輥上。此種水冷磨輥在快輥鏈輪一端進(jìn)水,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但是噴水管較長(zhǎng),單頭支撐比較困難。1999年漯河海潮糧食機(jī)械廠的王應(yīng)昂公布了一項(xiàng)涉及磨粉機(jī)磨輥散熱的實(shí)用新型專(zhuān)利———磨粉機(jī)水冷卻磨輥裝置。它是在現(xiàn)有的實(shí)心磨輥中去掉生鐵部分后,在合金輥筒兩端分別加裝端蓋、空心輥軸、軸端水及氣密性裝置。兩端蓋的外端與合金輥筒成密封狀態(tài),構(gòu)成輥鼓內(nèi)腔,兩端蓋里面具有出水孔、環(huán)形水室及半圓形導(dǎo)流孔,而空心輥軸上則具有徑向穿孔。來(lái)自冷卻水池的冷卻水經(jīng)輥軸一端的中心孔及輥軸處于輥鼓內(nèi)腔部位的兩個(gè)徑向穿孔流入輥鼓內(nèi)腔,對(duì)輥鼓的合金輥套進(jìn)行冷卻,然后經(jīng)輥軸上的另兩個(gè)徑向穿孔及輥軸另一端的中心孔流出,流出的冷卻水直接進(jìn)入循環(huán)水泵的進(jìn)水口,再次打入冷卻水池。采用這類(lèi)水冷卻技術(shù)的磨輥冷卻效果較好,重量較輕,軸瓦溫升低,一定程度上改善了產(chǎn)品的品質(zhì)。現(xiàn)有的水冷式磨輥是將磨輥軸加工成空心,并使其與磨輥體的內(nèi)腔連通。但限于磨輥剛度、強(qiáng)度等方面的要求,中空內(nèi)腔尺寸不可能太大,因此冷卻水距離磨輥外表面較遠(yuǎn),冷卻效果并不理想。針對(duì)上述情況,2012年甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)張克平等人發(fā)明了一項(xiàng)關(guān)于水冷磨輥的實(shí)用新型專(zhuān)利,見(jiàn)圖3。該磨輥體為中空柱形結(jié)構(gòu),磨輥體內(nèi)設(shè)置環(huán)形槽和冷卻水孔,磨輥體冷卻水孔兩端設(shè)置密封裝置,磨輥軸內(nèi)設(shè)置軸向孔和徑向穿孔。磨輥軸軸向孔為盲孔,磨輥軸一端與磨輥體階梯孔采用過(guò)盈配合,磨輥軸內(nèi)的徑向孔與磨輥體內(nèi)的環(huán)形槽相通,磨輥體內(nèi)的環(huán)形槽與冷卻孔相通。冷卻水經(jīng)磨輥軸軸向孔、徑向孔、磨輥體環(huán)形槽,導(dǎo)入磨輥體冷卻水孔,然后從另一端排出,完成磨輥體的散熱降溫。裝置中磨輥體冷卻水管更靠近工作表面,冷卻效果好,可以提高輥式磨粉機(jī)的研磨效率,同時(shí)也節(jié)約了磨輥耗材,降低了磨輥成本。磨輥通水冷卻取得了良好的效果,水冷式磨輥不但能顯著降低物料的溫度,而且還能減少軸承潤(rùn)滑油的使用,延長(zhǎng)磨輥一次拉絲的使用時(shí)間,節(jié)約能源;但同時(shí)也帶來(lái)了相應(yīng)的問(wèn)題。首先,磨輥通水冷卻最大的問(wèn)題存在于水冷裝置上,因?yàn)樗溲b置經(jīng)過(guò)多次拆裝,循環(huán)水的滴、漏、跑、冒現(xiàn)象對(duì)物料加工構(gòu)成威脅。其次,水冷裝置比較復(fù)雜,在裝拆的過(guò)程中增加了工作時(shí)間和工作量,另外維護(hù)的費(fèi)用和難度也增加不少,這些都限制了水冷式磨輥的應(yīng)用。由于水冷式磨輥需要和復(fù)雜的水冷卻系統(tǒng)配合使用,造成安裝水冷磨輥的磨粉機(jī)比普通的磨粉機(jī)價(jià)格高出較多,因此國(guó)內(nèi)很少有面粉廠家使用安裝有水冷式磨輥的磨粉機(jī)。日本國(guó)內(nèi)對(duì)小麥粉的品質(zhì)要求較高,目前日本國(guó)內(nèi)面粉廠普遍使用水冷式磨輥。日本明治機(jī)械在日本生產(chǎn)的水冷式磨輥,在國(guó)內(nèi)有較好的市場(chǎng)份額。日本面粉廠生產(chǎn)的小麥粉口感好,品質(zhì)佳,這與水冷式磨輥的應(yīng)用有很大的關(guān)系。2降低磨輥表面及磨下物料溫度風(fēng)冷卻磨輥的方法是利用高速的氣流與磨輥進(jìn)行對(duì)流換熱,從而將小麥粉加工中產(chǎn)生的熱量帶走,是目前普遍使用的一種冷卻方式。高速的冷卻風(fēng)從吸風(fēng)口進(jìn)入磨粉機(jī),與較高溫度的磨輥進(jìn)行對(duì)流換熱,帶走熱量,被加熱的氣流從接料器處排出磨粉機(jī),從而降低磨輥表面及磨下物料的溫度。2010年,漯河市虎塔軋輥有限責(zé)任公司的孟德雨、劉春乾發(fā)明了一種利用風(fēng)冷卻的磨輥,見(jiàn)圖4。該磨輥、輥體和軸徑均為空心,軸徑空心孔壁內(nèi)加工有導(dǎo)流槽,該導(dǎo)流槽為軸向螺旋槽、斜槽或直槽等,槽形可為三角形、梯形或圓弧形等。磨輥工作中由于自身的轉(zhuǎn)動(dòng),使其孔壁軸向的導(dǎo)流槽帶動(dòng)空氣沿導(dǎo)流槽從一端進(jìn)入,另一端排出。不需要外加任何動(dòng)力就可實(shí)現(xiàn)磨輥軸內(nèi)部的自動(dòng)熱交換,從而達(dá)到降低磨輥溫度的目的。該磨輥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,加工比較容易,使用壽命較長(zhǎng)。但由于空氣能攜帶的熱量有限,遠(yuǎn)不如水。如果軸徑的氣流運(yùn)動(dòng)不暢,則效果不理想,所以風(fēng)冷磨輥降低磨輥溫度的能力不高。另外,磨輥長(zhǎng)時(shí)間工作,磨粉機(jī)中的小麥粉可能會(huì)進(jìn)入導(dǎo)流槽,堵塞導(dǎo)流槽,影響空氣流動(dòng),使風(fēng)冷失效。3旋轉(zhuǎn)熱管應(yīng)用于磨輥冷卻方式磨輥的研究熱管技術(shù)是1963年美國(guó)洛斯阿拉莫斯(LosAlamos)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的喬治格羅佛(GeorgeGrover)發(fā)明的一種稱(chēng)為“熱管”的傳熱元件,見(jiàn)圖5。它充分利用了熱傳導(dǎo)原理與介質(zhì)相變快速熱傳遞性質(zhì)。熱管蒸發(fā)段受熱,蒸發(fā)段把熱量傳給管芯內(nèi)的工作液體,液體受熱蒸發(fā),并帶走熱量,該熱量為工作液體的蒸發(fā)潛熱,蒸汽從中心通道流向熱管的冷凝段,凝結(jié)成液體,同時(shí)放出潛熱,在吸液芯毛細(xì)壓力的作用下,液體回流到蒸發(fā)段。這樣,就完成了一個(gè)閉合循環(huán),從而將大量的熱量從加熱段傳到散熱段,熱管的導(dǎo)熱能力超過(guò)已知任何金屬,是金屬傳熱的幾百倍,目前熱管技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于需要散熱和導(dǎo)熱的行業(yè)。旋轉(zhuǎn)熱管作為眾多熱管型式中的一種,除具備熱管良好的導(dǎo)熱能力之外,還具有其他熱管不具備的特性。國(guó)內(nèi)對(duì)旋轉(zhuǎn)熱管在工業(yè)上應(yīng)用做過(guò)大量的研究。金培玉等將旋轉(zhuǎn)熱管應(yīng)用于磁粉離合器的散熱,研制了一種新型磁粉離合器,經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)據(jù)分析,發(fā)現(xiàn)該新型磁粉離合器比普通磁粉離合器具有更高的功率容量。黃維國(guó)等對(duì)旋轉(zhuǎn)熱管應(yīng)用于三相異步調(diào)速電機(jī)上的散熱進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)電機(jī)溫升比不帶旋轉(zhuǎn)熱管的電機(jī)小,其轉(zhuǎn)子熱量大部分經(jīng)熱管工質(zhì)傳遞到了空間。2009年河南工業(yè)大學(xué)武文斌等人將旋轉(zhuǎn)熱管成功應(yīng)用于磨輥冷卻當(dāng)中,發(fā)明了實(shí)用新型專(zhuān)利———一種磨粉機(jī)的冷卻式磨輥,見(jiàn)圖6。該磨輥兩端的輥軸上加工出一定尺寸的通孔,把制造完成的熱管安裝在通孔內(nèi),熱管和通孔采用過(guò)盈配合。磨粉機(jī)在制粉過(guò)程中,輥體受熱后將熱量傳遞給熱管的蒸發(fā)段,蒸發(fā)段內(nèi)工作介質(zhì)受熱后蒸發(fā)汽化,流向冷凝段后冷凝放熱,從而把輥體產(chǎn)生的熱量源源不斷的傳遞出來(lái)。同時(shí)冷凝段上安裝散熱翅片起到強(qiáng)化散熱的目的。該結(jié)構(gòu)可以保證磨輥在研磨過(guò)程中保持相對(duì)低的溫度,降低溫度對(duì)小麥粉品質(zhì)的影響;延長(zhǎng)磨輥一次拉絲的使用壽命,減少磨輥的更換周期;旋轉(zhuǎn)熱管可依靠管內(nèi)工作介質(zhì)相變循環(huán)散熱,無(wú)需增加額外的動(dòng)力裝置。為了驗(yàn)證熱管冷卻式磨輥(圖7)的工作效果,通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到,冷卻式磨輥啟動(dòng)性能和等溫性能良好,可以明顯降低物料和磨輥表面溫度(降低10℃左右);但是該冷卻磨輥的換熱系數(shù)較低,熱阻較大,傳熱效率不高,降低磨輥表面溫度有一定的限度。2011年河南工業(yè)大學(xué)糧油機(jī)械研究所武文斌、楊軍偉在2009年實(shí)用新型冷卻磨輥的基礎(chǔ)上,改進(jìn)磨輥的整體結(jié)構(gòu),發(fā)明了一種新型的冷卻式磨輥,與泰興西橋軋輥廠合作生產(chǎn)了旋轉(zhuǎn)熱管換熱器冷卻磨輥,見(jiàn)圖8。該磨輥?zhàn)畲蟮奶攸c(diǎn)是把整個(gè)磨輥設(shè)計(jì)成一個(gè)旋轉(zhuǎn)熱管式換熱器,提高了旋轉(zhuǎn)熱管的換熱系數(shù),減少了熱管的熱阻,冷卻效果大大提高。該冷卻磨輥輥軸是中空設(shè)計(jì),磨輥軸一端設(shè)置散熱管為冷卻端,散熱管設(shè)計(jì)制造有散熱翅片,見(jiàn)圖9。通過(guò)強(qiáng)化對(duì)流,實(shí)現(xiàn)散熱冷卻。磨輥體產(chǎn)生的熱量直接被介質(zhì)吸收氣化,產(chǎn)生的氣體高速流向散熱管,經(jīng)散熱管散熱降溫后液化,流回磨輥體內(nèi)腔,實(shí)現(xiàn)磨輥體的散熱降溫。介質(zhì)直接與磨輥體接觸,吸熱效率高,散熱效果好。從散熱管散發(fā)出的熱量被設(shè)置在磨粉機(jī)殼體上的風(fēng)機(jī)抽出磨粉機(jī)殼外,避免熱量在磨粉機(jī)殼體內(nèi)堆積,從而保證磨粉機(jī)磨輥內(nèi)外有較大的溫差,提高散熱管的散熱效率。旋轉(zhuǎn)熱管式冷卻磨輥通過(guò)輥體內(nèi)部工質(zhì)的相變傳遞大量的熱量,不需要額外安裝動(dòng)力裝置,設(shè)備簡(jiǎn)單易行,減少電耗,落下物料溫度降低明顯。江蘇某面粉廠通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比,旋轉(zhuǎn)熱管式冷卻磨輥表面溫度比普通對(duì)比磨輥表面溫度低16~20℃(見(jiàn)表2)。4風(fēng)冷式磨輥表3是三種冷卻方式的綜合對(duì)比分析。通過(guò)對(duì)比分析,目前最有效的冷卻方式是通過(guò)水冷降低磨輥溫度,但水冷磨輥成本高,裝置復(fù)雜,滴水、漏水現(xiàn)象限制了它的發(fā)展。風(fēng)冷式磨輥降低溫度效果較差,只能作為輔助降溫方法。熱管式磨輥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,冷卻效果略低于水冷式磨輥,通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)熱