兩級(jí)升壓多點(diǎn)噴射玉米漿料烘干送料噴頭的設(shè)計(jì)

公衍峰，張立明，趙舉文

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院 綏化分院，黑龍江 綏化 152000)

0 引言

近年來，人們對食品安全要求越來越高，營養(yǎng)全面，特別是對粗糧精做的需求更大，將玉米加入傳統(tǒng)主食中，不僅可以改善國民膳食結(jié)構(gòu)，豐富膳食營養(yǎng)素，還可以提高國民玉米攝入量，增加玉米產(chǎn)品利用率[1]。將玉米加工成玉米面粉食用，易于烹飪，使用廣泛，而且玉米面粉具有很好的食療功效。粉質(zhì)特性是面團(tuán)形成過程中耐揉性和黏彈性的綜合表現(xiàn)，不僅決定面制品加工過程中的可操作性能，而且對最終產(chǎn)品的質(zhì)量有著重要影響[1]，通過噴霧干燥方法制得的玉米面粉，其黏彈性增加，既可單一替代面粉使用，也可與面粉摻加使用，可適應(yīng)的面食種類廣泛。黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院綏化分院經(jīng)過多年的研究實(shí)驗(yàn)開發(fā)出了一種玉米發(fā)酵后磨碎噴漿烘干工藝及設(shè)備。該設(shè)備將含量小于30%的玉米粒與玉米碴混合物浸泡，使玉米淀粉組織中的顆粒細(xì)化，再經(jīng)磨漿、脫水、噴霧、干燥等工藝過程，得到的玉米面粉細(xì)度可達(dá)100目以上，且玉米面粉細(xì)膩，口感好。玉米面漿干燥過程中熱風(fēng)溫度達(dá)到200～360 ℃，在高溫作用下部分淀粉分子重新排列，由β型排列變成α型排列，這種排列的變化使玉米面粉的黏彈性增加，可以制作豐富可口的玉米食品，也可做為輔料添加到其他食品中。使其它種類具有了玉米特有的營養(yǎng)成份，而不影響口味，從而增加了玉米食品的品種，如玉米水餃、玉米掛面等。

經(jīng)檢測采用噴霧干燥技術(shù)生產(chǎn)的玉米面粉保留了整粒玉米的全價(jià)營養(yǎng)。以下是噴霧干燥技術(shù)制得玉米面粉與小麥特制粉每100 g樣品中營養(yǎng)成份的含量對比表,如表1所示。

表1 玉米面粉與小麥特制粉營養(yǎng)成份的含量對比表

從表1中可以看出，噴霧干燥技術(shù)生產(chǎn)出的玉米面粉在膳食纖維、鈣、維生素B族類營養(yǎng)成分均高于小麥粉，市場需求量大，對玉米噴漿烘干工藝及設(shè)備的技術(shù)要求也逐步提高。

烘干送料噴頭是整套烘干設(shè)備的核心部件，現(xiàn)有的噴頭多為內(nèi)部一根直管的烘干送料噴頭，存在易堵塞、霧化效果差等技術(shù)缺陷，為此研究設(shè)計(jì)兩級(jí)升壓多點(diǎn)噴射玉米漿料烘干送料噴頭十分必要和迫切。

1 總體方案及工作原理

兩級(jí)升壓多點(diǎn)噴射玉米漿料烘干送料噴頭應(yīng)用在玉米粉料烘干設(shè)備上，如圖1所示，玉米粉料烘干設(shè)備塔筒上端連接有上錐斗，上錐斗上端連接有塔頭，塔頭側(cè)面開有熱風(fēng)口，熱風(fēng)口與熱風(fēng)管相連，熱風(fēng)在熱風(fēng)管輸送，經(jīng)過熱風(fēng)口進(jìn)入到塔頭內(nèi)。塔頭底部設(shè)有布風(fēng)器，布風(fēng)器上均布置有三個(gè)噴槍孔，噴槍孔周圍均勻設(shè)置布風(fēng)孔，熱風(fēng)經(jīng)由布風(fēng)孔均勻地吹入主塔塔筒內(nèi)，結(jié)構(gòu)如圖2所示，噴槍孔內(nèi)裝有噴槍管，噴槍管上端與高壓管連接，高壓管連接高壓輸料泵，噴槍管下部在上錐斗內(nèi)腔頂部，兩級(jí)升壓多點(diǎn)噴射玉米漿料烘干送料噴頭安裝在噴槍管端部。

1.主塔固定架；2.塔筒；3.上錐斗；4.熱風(fēng)口；5.塔頭；6.噴槍管；7.高壓管；8.兩級(jí)升壓多點(diǎn)噴射玉米漿料烘干送料噴頭

1.兩級(jí)升壓多點(diǎn)噴射玉米漿料烘干送料噴頭；2.布風(fēng)管

1.1 制漿工藝過程

噴頭噴嘴直徑一般在1 mm左右，細(xì)微的固體顆粒都會(huì)導(dǎo)致噴頭堵塞,因此要將噴粉前的漿料進(jìn)行預(yù)處理，保證進(jìn)入噴嘴的漿料均勻且無懸濁顆粒。

1)浸泡處理：含量小于30%的玉米粒與玉米碴混合物，經(jīng)清水洗滌之后再浸于24～32 ℃水中，保溫24～72 h，使其充分吸水膨脹飽合；

2)磨漿：浸泡的玉米碴經(jīng)清水洗滌之后送入磨漿機(jī)磨漿，篩分后獲得細(xì)度為100目以上的面漿；

3)制漿：面漿加水調(diào)和成濃度在35%～40%的液料；

4)噴霧干燥：高壓噴霧泵將濃度在35%～40%的液料霧化噴入到熱風(fēng)干燥塔內(nèi)進(jìn)行干燥處理，熱風(fēng)帶動(dòng)霧化的液料順流干燥，熱風(fēng)入口溫度在200～360 ℃，干燥塔出口溫度為60～70 ℃，干燥塔出口的風(fēng)粉混合物進(jìn)入旋風(fēng)捕捉器，旋風(fēng)捕捉器將玉米面粉從熱風(fēng)中分離出來；

5)冷卻后包裝入庫。

1.2 總體方案

兩級(jí)升壓多點(diǎn)噴射玉米漿料烘干送料噴頭，結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由噴頭、噴頭固定連接法蘭、葉片推進(jìn)裝置、入料口等組成。噴頭固定連接法蘭將噴頭和葉片推進(jìn)裝置連接在一起并固定在工作位置，入料口通過壓蓋與葉片推進(jìn)裝置連接。

1.噴頭；2.噴頭固定連接法蘭；3.葉片推進(jìn)裝置；4.入料口

1.3 工作原理

噴霧干燥技術(shù)主要是利用噴霧器離心或者壓力的作用,將流體狀物料噴灑成極細(xì)的霧狀滴,在干燥介質(zhì)中能夠瞬間汽化,形成粉狀或顆粒狀干燥固體的一種方法。

開始噴霧時(shí)，先用小流量進(jìn)料，觀察主塔腔體內(nèi)是否有大量物料粘壁的情況，如果腔體內(nèi)壁有結(jié)塊甚至液體沿壁成股流下,適當(dāng)升高引風(fēng)溫度并減小流量。

工作時(shí)，玉米漿料由漿料送料泵經(jīng)入料口進(jìn)入葉片推進(jìn)裝置，葉片推進(jìn)裝置將玉米漿料的流速加快后經(jīng)進(jìn)入噴頭固定連接法蘭進(jìn)入噴頭內(nèi)，玉米漿料在噴頭內(nèi)經(jīng)兩級(jí)升壓后，由設(shè)置在噴頭上的主噴射孔和副噴射孔霧化后噴散在烘干設(shè)備內(nèi)。

2 研究方法及技術(shù)路線

2.1 研究方法

1)由項(xiàng)目各承擔(dān)單位第一負(fù)責(zé)人或技術(shù)負(fù)責(zé)人組成領(lǐng)導(dǎo)小組，負(fù)責(zé)解決項(xiàng)目實(shí)施中的任務(wù)分工、資金與人員安排、相互配合等重大問題，協(xié)助項(xiàng)目負(fù)責(zé)人做好項(xiàng)目實(shí)施管理工作。

2)課題組長負(fù)責(zé)制。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人即課題組長，全權(quán)負(fù)責(zé)項(xiàng)目實(shí)施的各項(xiàng)工作，對于重大技術(shù)問題由課題組長召集專家集體討論、決策。

3)重大技術(shù)問題實(shí)行專家咨詢決策制度，專家組討論、同意后方可實(shí)施。

4)分工明確，精確控制。分解課題任務(wù)并責(zé)任到人。明確計(jì)劃進(jìn)度，進(jìn)行定期的檢查、監(jiān)督。對于未能按計(jì)劃完成任務(wù)的進(jìn)行督促，確保項(xiàng)目按計(jì)劃實(shí)施，保質(zhì)保量完成。

2.2 技術(shù)路線

1)制定設(shè)計(jì)方案，在深入了解國內(nèi)外噴頭先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，并結(jié)合玉米漿料噴漿烘干的工藝特點(diǎn)，完成項(xiàng)目的方案設(shè)計(jì)。

2)對主要研究內(nèi)容進(jìn)行深入的理論分析和部件臺(tái)架試驗(yàn)，確定噴頭及葉片推進(jìn)裝置的結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)參數(shù)，完成圖紙?jiān)O(shè)計(jì)及關(guān)鍵件工藝裝備的設(shè)計(jì)。

3)進(jìn)行樣件試制和試驗(yàn)，通過多參數(shù)組合試驗(yàn)，研究和改進(jìn)部件的結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)，完善圖紙?jiān)O(shè)計(jì)。

4)結(jié)合我國玉米漿料噴漿烘干的具體要求，選擇多種樣本考核該裝置的性能和可靠性。通過生產(chǎn)考核，不斷完善和提高送料噴頭的質(zhì)量，形成技術(shù)領(lǐng)先，性能先進(jìn)，質(zhì)量可靠的新技術(shù)。

3 關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)

3.1 葉片推進(jìn)裝置

葉片推進(jìn)裝置，結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由漿料推進(jìn)葉片、氣流驅(qū)動(dòng)葉片、壓蓋、高壓氣體入口、軸承、軸套和殼體等組成。玉米漿料從入料口進(jìn)入軸套套孔內(nèi)，高壓氣體從高壓氣體入口進(jìn)入由軸套與殼體構(gòu)成的環(huán)形腔內(nèi)，高壓氣體在通過氣流驅(qū)動(dòng)葉片推動(dòng)軸套在殼體內(nèi)旋轉(zhuǎn)后，又通過條狀氣孔進(jìn)入軸套套孔內(nèi)與玉米漿料進(jìn)行初步混合霧化，并將混合霧化后的玉米漿料加壓送入噴頭內(nèi)。軸套套孔內(nèi)裝有漿料推進(jìn)葉片，推進(jìn)葉片呈螺旋線形狀，隨著軸套的轉(zhuǎn)動(dòng)，玉米漿料和初步混合霧化的物料，在推進(jìn)葉片的推動(dòng)下，進(jìn)入到噴頭，在噴頭內(nèi)進(jìn)行逐級(jí)升壓。與常規(guī)玉米物料噴頭相比較，本設(shè)計(jì)的葉片推進(jìn)裝置，能有效地將玉米漿料推送到噴頭部件，同時(shí)，旋轉(zhuǎn)的軸套，能很好地防止物料的干結(jié)，降低噴頭發(fā)生堵塞的概率，增強(qiáng)了物料的流動(dòng)性，為玉米漿料進(jìn)入到噴頭進(jìn)行噴粉做好準(zhǔn)備。

1.漿料推進(jìn)葉片；2.氣流驅(qū)動(dòng)葉片；3.壓蓋；4.高壓氣體入口；5.軸承；6.軸套；7.殼體

3.2 噴頭

噴頭主要由噴頭體、主噴射孔、副噴射孔、二級(jí)升壓錐孔、二級(jí)輸送孔、一級(jí)升壓錐孔和一級(jí)輸送孔等組成，結(jié)構(gòu)如圖5所示。由葉片推進(jìn)裝置推送來的玉米漿料和初步混合霧化的物料先進(jìn)入到一級(jí)輸送孔，經(jīng)過一級(jí)輸送孔的物料隨后進(jìn)入到一級(jí)升壓錐孔，在一級(jí)升壓錐孔內(nèi)，物料在一級(jí)升壓錐孔內(nèi)進(jìn)行第一次升壓霧化；隨后物料進(jìn)入到二級(jí)輸送孔內(nèi)，經(jīng)過二級(jí)輸送孔的物料隨后進(jìn)入到二級(jí)升壓錐孔，玉米漿料在經(jīng)過兩次升壓再次霧化后，將漿料分別從主噴射孔和副噴射孔高壓、高速、高霧化質(zhì)量的噴出，直送至烘干設(shè)備中完成烘干作業(yè)。

1.噴頭體；2.主噴射孔；3.副噴射孔；4.二級(jí)升壓錐孔；5.二級(jí)輸送孔；6.一級(jí)升壓錐孔；7.一級(jí)輸送孔

三個(gè)副噴射孔的軸線與主噴射孔軸線間夾角α=80°，三個(gè)副噴射孔在圓周方向上均布，主噴射孔與副噴射孔軸線之間夾角起到防止?jié){料噴霧時(shí)的互相干涉，且主、副噴射孔的共同噴射提高了噴射效率。

4 對比分析

與目前常用的送料噴頭，無升壓功能，并且為單一噴射孔，為對比常用送料噴頭與本文設(shè)計(jì)的兩級(jí)升壓多點(diǎn)噴射玉米漿料烘干送料噴頭在出粉效率、含水量進(jìn)行比較，設(shè)計(jì)了對比試驗(yàn)，對常用噴頭和本文設(shè)計(jì)的噴頭進(jìn)行對比試驗(yàn)。

4.1 單因素試驗(yàn)

在進(jìn)料流量25%、熱空氣流量34 m3·h-1, 測試兩種噴頭在不同進(jìn)風(fēng)溫度下對出粉率、含水量的影響。測試結(jié)果如表2所示。

分析表2中的出粉率和含水量的數(shù)值，可以比較得出：相同的進(jìn)料流量、熱風(fēng)流量、相同的烘干溫度下，本文設(shè)計(jì)的兩級(jí)升壓多點(diǎn)噴射噴頭噴霧干燥得的玉米粉在出粉率和含水量兩方面都要優(yōu)于目前常用的單孔無加壓噴頭。獲得同樣品質(zhì)的玉米粉，本文設(shè)計(jì)的噴頭，需求的烘干溫度較低，節(jié)能減排效果顯著；兩級(jí)升壓和多點(diǎn)噴射的設(shè)計(jì)，使噴頭在霧化效果和防堵效果方面都有所提升，故障率低、出粉率較高。

表2 單孔無加壓噴頭與兩級(jí)升壓多點(diǎn)噴射噴頭出粉品質(zhì)對比表

5 結(jié)語

針對傳統(tǒng)送料噴頭現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，結(jié)合玉米面粉工業(yè)化生產(chǎn)加工使用的實(shí)際需求，研究設(shè)計(jì)了一種新結(jié)構(gòu)的兩級(jí)升壓多點(diǎn)噴射玉米漿料烘干送料噴頭。該噴頭對玉米漿料采用兩級(jí)升壓和多點(diǎn)噴射的結(jié)構(gòu)，以更高的噴射壓力、噴射速度和多方向組合噴射角度，大幅提高了玉米漿料的霧化質(zhì)量和噴射效率，具有結(jié)構(gòu)新穎、獨(dú)特、合理、噴頭不易堵塞、作業(yè)效率高、霧化效果好的特點(diǎn)，為玉米漿料噴霧烘干設(shè)備提供高質(zhì)量玉米漿料，尤其適合工業(yè)化生產(chǎn)使用的送料噴頭。

該成果的研制成功，解決了玉米漿料噴霧烘干設(shè)備送料噴頭的技術(shù)瓶頸，極大地提高了玉米漿料噴霧烘干設(shè)備的技術(shù)水平，為玉米粉料加工機(jī)械化提供了有力的支撐。