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食品工厂机械与设备
第一章 总论
第一章 总论
【理解】什么是食品机械与设备?
食品机械与设备是把食品原料加工成食品或半成品的一类专业机械与设备。
食品机械与设备的重要性？
n 食品加工机械设备是食品工业化生产过程中的重要保障。
n 现有食品加工业的规模化与自动化发展、传统食品的工业化、食品新资源的利用、新工艺、新产品的产业化等，都离不开食品加工机械与设备的支持。
n 食品加工机械设备对食品加工过程中产品的质量保证、生产效率的提高、能量消耗的降低等起着举足轻重的作用。
－ 因此，对于以工艺为主的食品科学与工程专业的本科生来说，了解食品加工机械与设备十分必要。食品加工的科学技术工艺）知识与机械设备知识的有机结合是食品加工从业人员不可或缺的基本能力要求。
第一节 食品加工机械设备的
分类与特点
食品工业涉及的原料、产品种类繁多、加工工艺各异，从而其涉及的加工机械的种类繁多。虽然种类繁多，但食品机械具有自身的特点。了解食品机械与设备的分类及其特点，将有助于正确选择食品机械与设备。
一、食品加工机械设备的分类
l 食品加工机械设备分类的重要性
l 目前主要按两种方式进行分类：
1.根据原料产品类型分类
2.根据设备的操作功能分类
l 从研究、设计和制造的角度以上两种分类方法均有一定的指导意义。

• 根据原料或产品分类
• 可将食品机械分成众多的生产线设备。例如，制糖机械
• 豆制品加工机 焙烤食品机械 乳品机械 果蔬加工和保鲜机械 罐头食品机械
• 糖果食品机械 酿造机械 饮料机械 方便食品机械 调味品和添加剂制品机械 炊事机械等

• 【掌握】根据机械设备的功能分类
• 实际上是根据设备的单元操作功能分类。筛分与清洗机械 粉碎和切割机械 混合机械 分级分选机械 成型机械 多相分离机械 搅拌及均质机械 蒸煮煎熬机械 蒸发浓缩机械干燥机械 烘烤机械 冷冻和冻结机械 挤压膨化机械 计量机械 包装机械 输送机械、泵、换热设备
容器等
【重点掌握】二、食品加工机械设备的特点
l 品种多样性
l 机型可移动性
l 防水防腐性
l 多功能性
l 卫生要求高
l 自动化程度高低不一
l 自动化程度高低不一
目前，食品加工机械设备单机自动化程度总体上并不很高。但也有一些自动化程度较高的设备，例如，无菌包装机、自动洗瓶机及大型杀菌设备等。
l 品种多样性
一般食品机械设备门类众多、品种较杂。并且生产批量较小。许多设备属于单机设备。
l 卫生要求高
为了保证食品卫生安全，食品加工设备中直接与物料接触的部分，均采用无毒、耐腐蚀材料制造，并且为了方便清洗和消毒，与食品接触的表面均需要进行抛光处理。此外，传动系统与工作区域有严格密封措施，以防润滑油泄漏进入所加工的食品物料中。
l 机型可移动性
总的来看，食品机械设备的外形尺寸均较小，重量较轻，可方便的进行移动改换。例如，一般食品机械设备均不需要固定基础。
l 防水防腐性
多数设备或设备主要工作面的材料具有抗水、酸、碱等腐蚀的性能，一般采用不锈钢制作。
l 多功能性
食品机械设备具有一定程度的通用性，即可用来加工不同的物料。此外，还具有调节容易、调整模具方便和一机多用的特点。
【理解】第二节 食品 加工机械的材料
食品机械广泛使用各种材料，除各种金属和合金材料外，尚有石材、金刚砂、陶瓷、搪瓷、玻璃、纺织品以及塑料等有机合成材料。食品生产的工艺条件十分复杂，对材料有不同的要求，必须掌握各种材料的基本性能，才能作出正确的选择，以取得良好的使用效果和经济效益。
一、食品加工机械设备
用材要求与性能
l 有表面与食品接触的机械设备基本要求
l 机械设备性能:
（一）机械性能
（二）物理性能
（三）耐腐蚀性能
基本要求
（1）对食品必须无害，不污染食品 ；
（2）不受或少受物料介质和清洗剂的影响，藉以延长设备的使用寿命。
（一）机械性能
强度刚度硬度 耐磨性 高温工作性能
低温工作性能
（二）物理性能
l 常见的物料性能， 例如：材料的相对密度、比热容、热导率、软化温度、线膨胀系数、热辐射波谱、磁性、表面摩擦特性、抗黏附性等。
l 不同的使用场合，要求材料有不同的物理性能，如：
n 传热装置要求有高的热导率。
n 食品的成型装置则要求有好的抗黏附性，以便脱模。
（三）耐腐蚀性能
l 对于食品机械，主要考虑其耐（食品本身或微生物引起的）酸性能和耐盐性能。
l 机械设备的耐腐蚀程度决定于： ① 材料的化学性质和表面状态以及受力状态； ② 物料介质的种类，浓度和温度等参数。
【理解】二、食品机械中常用的材料
（一）钢铁材料
（二）不锈钢
（三）有色金属材料
（四）非金属材料
（一）钢铁材料
l 普通碳钢和铸铁耐腐蚀性都不好，易生锈，更不宜直接接触有腐蚀性的食品介质，一般用于设备中承受载荷的结构。
l 食品工业可以用涂搪瓷的钢铁容器。优点：耐酸碱腐蚀，并且搪瓷表面光滑，易于清洗和保持卫生。致命缺点：外力或温度作用下釉可能碎裂 ，污染食品。食品工厂中的使用越来越少。
l 搪瓷材料的替代材料：有各种无毒树脂涂料，其涂层耐腐蚀而不易产生碎片。
（二）不锈钢
l 不锈钢定义及其组成
l 不锈钢的标识
l 不锈钢特点与使用
l 【重点掌握】不锈钢特点与使用
n 一般优点：耐蚀、不锈、不变色、不变质和附着食品易于去除，以及良好的高、低温机械性能好等。
n 因而在食品机械中广泛应用。
n 但不锈钢的抗腐蚀能力的大小是 随其本身化学组成、加工状态、使用条件及环境介质类型而改变的。
u 如表1-1中所列的304钢可以满足一般的防腐要求，但耐盐（主要是其中的氯离子）性差，后者因成分中镍元素含量较前者高而具有良好的耐蚀性。
u 因而，食品机械中，耐腐蚀要求较高的接触表面材料，多采用316型或316L型不锈钢。
l 【重点掌握】不锈钢的标识
n 我国对不锈钢的标识规则
n 国外不锈钢标识
n 国内外不锈钢标识对应关系
n 国内外不锈钢标识对应关系

n 国外不锈钢标识
国际上，一些国家常采用三位序列数字对不锈钢进行标识。例如美国钢铁学会分别用200、300的400系来标示各种标准级的可锻不锈钢。
n 我国对不锈钢的标识规则
u 我国现有国家标准对不锈钢标识的基本方法是：化学元素符号与含量数字组合。这种标识符号中，铁元素及含量不标出，而主要标示出反映不锈钢防腐性和质构性元素及其含量。
u 不锈钢标识举例
u 不锈钢标识举例
p Cr18、Ni9分别表示不锈钢中铬和镍的质量分数是18%和9%。但是，碳元素及含量的标示较特殊，其元素符号“C”不标示，而只标示代表其含量的特定数字，并且放在其它元素标识符序列的前面。
p 例如，1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni9和00Cr17Ni14Mn2是三种铬镍不锈钢标识代号中，第一个数字1、0和00分别表示一般含碳量（≤0.15%）、低碳（≤0.08％）和超低碳（≤0.03%）。其后的元素符号及数字分别表示含铬18%和17%，含镍9%和14%，含锰2%。
l 不锈钢定义及其组成
n 不锈钢是指在空气中或化学腐蚀介质中能够抵抗腐蚀的合金钢。
n 基本成分：铁—铬合金和铁—铬—镍合金。
n 其它元素，如锆、钛、钼、锰、铌、铂、钨、铜、氮等。
n 铁和铬是各种不锈钢的基本成分；实践证明，当钢中含铬量在12％以上时，就可以抵抗各种介质的腐蚀，一般不锈钢中的含铬量不超过28％。
（三）有色金属材料
l 食品机械中的有色金属材料主要是铝合金、纯铜和铜合金等。
l 趋势：曾经用以上材料制造直接与食品接触的零部件或结构材料，正日益为抗蚀和卫生性能良好的不锈钢或非金属材料所取代。
n 纯铜
纯铜亦称紫铜，其特点是热导率特别高，所以常常被用作导热材料，可以制造各种换热器。虽然铜具有一定的耐蚀性，但铜对一些食品成分，如维生素C有破坏作用，另外，有些产品（如乳制品）也因使用铜制容器而产生异味。所以，一般不用于直接接触食品，而是用于诸如制冷系统中的换热器或者空气加热器等的设备中。
n 铝合金
u 铝合金具有耐蚀和导热性能、低温性能、加工性能好以及重量轻等优点。
u 铝合金适用的食品种类主要是碳水化合物类、脂肪类、乳类制品等。
u 但有机酸等腐蚀性物质在一定的条件下可以造成对铝及铝合金的腐蚀。食品机械中铝及铝合金的腐蚀，一方面影响机械的使用寿命，另一方面因腐蚀物进入食品而危害人们的身体健康。
（四）非金属材料
目前食品机械中的非金属材料主要是塑料。
l 常用的塑料
l 塑料的特点
l 应用举例
l 安全卫生性考虑
l 安全卫生性考虑
n 应根据食品介质在卫生检疫方面的要求和国家卫生检疫机关的有关规定选用 。
n 凡直接与食品接触的聚合材料应该确保对人体绝对无毒无害，不应给食品带来不良的气味和影响食品的味感，不应在食品介质中溶化或膨胀，更不能和食品产生化学反应。
n 不宜使用含水或含硬质单体的低分子类聚合物，因为这类聚合物往往都有毒性。
n 某些塑料在老化或高温下工作时，例如高温消毒，能够分解出可溶性单体并扩散到食品内，使食品被污染。
l 应用举例
n 例如：在输送机械上，使用在螺旋式和刮板式斜槽、吸力式和磁力式塔、风机罩、风筛式框架、料斗等；在食品加工机械、包装机械中的套筒、圆盘、叶轮、漏斗、分瓶螺旋、星轮等零部件上也广泛地使用塑料。
n 对于不能使用润滑剂的饼干模子、轧面机轴衬、空心面压制机的型模以及用于高温或要求耐磨的零件，则聚四氟乙烯塑料为理想的非金属材料。
【掌握】三、食品机械设备材料的表面处理
l 食品的腐蚀性。
l 对于腐蚀的防护，通常可以对材料进行耐蚀抗磨的表面处理，即对金属或非金属的食品加工机械的零部件进行喷涂和涂装以及电镀、刷镀等表面处理。
l 食品机械对镀层的要求
。
【理解】第三节 食品机械设备的结构要求
一、设备结构的卫生与安全
食品机械设备结构的卫生与安全可以包含两层意思，一是从食品安全卫生角度提出的要求，二是从操作人员安全性提出的要求。
（一）食品安全卫生方面的结构要求
（二）操作安全对设备结构要求
（一）食品安全卫生方面的结构要求
l 结构管道等不应有滞留产品的凹陷及死角。
l 应采用符合标准要求的不锈钢卫生钢管及其卫生型管件阀门。
l 密封可靠，以免产品受到外界的污染。
l 与产品接触的轴承都应为非润滑型。
l 润滑型轴承须有可靠的密封装置以防止产品被污染。
l 产品区域应与外界隔离，至少应加防护罩以防止异物落入或害虫侵入。工作空气过滤装置应保证不得使5μm以上的尘埃通过。
l 安全卫生的装、卸料装置。
l 紧固件应可靠固定，防止松动，不应因振动而脱落。
l 在产品接触表面上黏接的橡胶件、塑料件（如需固定的密封垫圈、视镜胶框）等应连续黏接，保证在正常工作条件(清洗、加热、加压)下不脱落。
（二）操作安全对设备结构要求
l 运动部件
液压气动电气系统
l 压力与高温设备
l 罐器孔盖
l 外表面
l 运行噪声
l 开关与操纵件
第四节食品加工机械设备的选型
合理的设备选型是保证产品高质量的关键和衡量生产水平的标准，可以为动力、配电、水、汽用量计算提供依据。因此，如何选用生产能力适宜、配套性强、通用性广的生产设备已成为食品加工厂建厂设计的重要内容，也是诸多食品厂建厂投产前要解决的首要问题。
一、食品机械设备选型的原则
二、设备选型计算
（二）生产能力匹配
产品产量是选定加工设备的基本依据。设备的加工能力、规格、型号和动力消耗必须与相应的产量相匹配，并且考虑到停电、机器保养、维修等因素，设备选型应具有一定的贮备系数。
【理解】一、食品机械设备选型的原则
（一）满足工艺条件要求
（二）生产能力匹配
（三）相互配套原则
（四）性能价格比合理性原则
（五）可靠性原则
（六）兼容性原则
二、设备选型计算
（一）输送性通过设备的计算
（二）罐器类设备的计算
（三）连续处理设备的计算
【重点掌握】（二）罐器类设备的计算

计算式
其中 N—罐器设备的台数（台）
Vs—单台罐器设备的有效容量（t/台）
QT—平均生产能力（t/h）
At—设计安排的某工段物料处理速率系数（At ≥1）
t—物料在此工序的滞留时间（包括生产工艺确定的 处理时间及物料进出设备所需的时间）

特点
这类设备属于间歇性处理（包括贮存）物料的设备。例如，贮料罐、杀菌锅、酶反应罐、发酵罐、混合搅拌罐等。
讨论
n 式（1-2）中，QT与t是由生产规模和生产工艺所规定的，一般不能变更，而其余三项在一定范围内可以进行选择。
n [例1-1]
n 例1-1
某罐头生产线的生产能力4t/h, 针对某主要罐型的杀菌工艺公式为升温10min,保温60min，冷却20min。选用T7C5型杀菌锅进行杀菌，T7C5型的罐头装锅量约为2t/台。预计每锅罐头进出锅的时间为20min。杀菌工段每班的处理时间按5h计。估算杀菌工段所需的T7C5型杀菌锅的台数。
例1-1
u 解：
u 已知：
p 平均生产能力QT=4t/h
p 罐头在此工段的滞留时间 t=(10+60+20+20)/60=1.83h
p 每台T7C5型杀菌锅的装锅量 Vs=2t/台
p 设生产线每班的平均生产时间为6h，而杀菌段每班的工作时间为5h，因而杀菌工段的物料处理速率系数At=6/5=1.2
n 例1-1
u 从而，根据式（1-2）,杀菌工段所需配备的T7C5型杀菌锅的台数可按以下估算：
u 杀菌锅只能为整数，所以T7C5型杀菌锅取5台可以满足要求。
（三）连续处理设备的计算
l 设备例子
l 核算内容
l 带式连续处理设备的计算式
l 讨论
l 例1-2
讨论
n 处理量与输送带的线速度成正比，也与输送带的长度和宽度成正比；但与物料在设备内的滞留时间成反比。
n 对于定型设备，式（1-3）中的因素是相互关联的，因此，在一定范围内，可以在不改变处理量的前提下对其它参数进行调整。
n 式（1-3中输送装置的长度L不一定等于设备的长度，因为，如果将输送装置的长度L分为三段平行（上下安排，或左右安排）排列，则相应设备的长度就可以缩短到原来直线排列的1/3。而且还可以将输送带做成螺旋式（参见第二章内容）。
n 所有这些，允许用户在与设备生产厂家洽谈时，提出某些设备尺寸的调整要求。此外，当输送装置用在拣选工序，尤其是人工拣选时，其输送速度受限于拣选速度，输送带宽度还应符合人体工学的要求。
核算内容
n 定型设备的实际处理能力。
n 非标设备的尺寸等。
带式连续处理设备的计算式

式中 QT ——生产能力（t/h）
v——输送装置的输送速度（m/h
Ds——物料在输送装置上的装载密度 (t/m2)
W——输送装置的有效载物宽度（m）
L——输送装置的长度（m）
t——物料在设备内的滞留时间（h）
设备例子连续杀菌机连续速冻机连续干燥机连续式烤炉
例1-2
瓶装饮料用单层喷淋式常压连续杀菌设备以网带式输送机输送进行杀菌。已知：输送带的有效载物宽度为1.0m,长度为7m，速度在110~550mm/min范围内可变,对于瓶装饮料的装载密度为70kg/m2。生产工艺规定的瓶装饮料在杀菌设备内（包括升温杀菌和冷却操作在内）的总处理时间为20min请确定：
（1）该杀菌设备的最大与最小处理能力；
（2）该设备在规定杀菌时间下的实际处理量是多少？该杀菌设备是否满足所需的处理量要求？
（3）如果该杀菌设备满足实际处理量要求，此时的输送带速度应为多少？
例1-2
n 解：已知：
u 输送带的长度 L=7.0m
u 输送带的宽度 W=1.0m
u 输送带速度 v=110~550mm/min=6.6~33m/h
u 输送带的装载密度 Ds=70 kg/m2=0.07t/m2
u 杀菌处理时间 t=20min=0.333h
例1-2
（1）杀菌设备的最大与最小处理能力。由于处理能力与输送带的速度成正比。因此，
最大处理能力 QTmax= 33×0.07×1= 2.3 (t/h)
最小处理能力 QTmin= 6.6×0.07×1= 0.46 (t/h)
例1-2
（2）设备在规定杀菌时间下的处理量为：
实际处理为1.47t/h，在该杀菌设备的处理范围0.46~2.3t/h以内，因此满足处理量要求。
例1-2
（3）规定杀菌时间下的输送带速度，根据式（1-3）为：
即此时的输送带速度为350mm/min。显然它在可调速度110~550mm/min范围之内。
l 讨论
n 上式适用于具有带式输送装置的连续处理设备估算。
n 处理量与输送带的线速度成正比，也与输送带的长度和宽度成正比；但与物料在设备内的滞留时间成反比。
n 对于定型设备，式（1-3）中的因素是相互关联的，因此，在一定范围内，可以在不改变处理量的前提下对其它参数进行调整。
n 式（1-3）中输送装置的长度L不一定等于设备的长度。
n 当输送装置用在拣选工序，尤其是人工拣选时，其输送速度受限于拣选速度，输送带宽度还应符合人体工学的要求。
n 对于非带式连续输送设备，也可以根据物料衡算关系得到类似的关系式。
l 本章小结
n 食品机械与设备是指把食品原料加工成食品(或半成品)的一类专业机械与设备。总体上可以分为通用与专用食品机械两大部分。通常食品机械按单元操作进行分类助于理解掌握食品机械的作用原理、结构特点与作用范围。
n 食品加工机械设备具有品种多、防腐性、一定范围的通用性、卫生要求高等特点。单机设备的自动化程度一般不高，但也有相当成熟的高度自动化程度的设备。
n 食品机械与设备采用不同类型的金属和非金属材料制作。但多数场合与食品直接接触的工作面材料必须采用不锈钢材料制造，并且经过适当的表面处理。

l 本章小结
n 食品加工机械与设备的安全卫生有两方面的要求：一是食品机械设备对加工对象的安全性；二是食品机械设备对操作人员的安全性要求。
n 食品加工机械设备的选型必须从满足工艺要求，生产能力配套、设备流程配套、性能价格比合理、可靠性等原则进行。食品设备选型计算大多与设备生产能力有关。对设备的生产能力估算，可分成三类进行，即输送性通过设备、罐器类设备和连续处理设备三大类。