358

Equation Chapter 1 Section 7

CAPITOLUL 7.

UTILAJE PENTRU PRESARE

Unele produse agroalimentare conin nsemnate cantiti de ap n care se gsesc, dizolvate sau n suspensie, multe substane utile. Aceste lichide pot fi scoase din produsele vegetale, sub forma unor sucuri (de legume sau fructe), prin operaia de presare. Sucul intracelular i o parte din cel intercelular poate fi eliberat de esuturile vegetale dac asupra acestor esuturi acioneaz fore exterioare produse de utilajele de presare (eliminarea zerului din brnz, a apei din unt etc.).

Operaia de presare mai este folosit i n cazurile cnd la anumite produse alimentare trebuie redus volumul (drojdie comprimat, brichete concentrate etc.) sau trebuie realizat o anumit form (presarea cacavalului, a untului, a drojdiei de bere, obinerea macaroanelor etc).

7.1 Cerine plivind utilajele de presare

Utilajele care execut presarea sunt numite prese. n industria alimentar acestea trebuie s ndeplineasc anumite condiii constructive, funcionale i de protecie a alimentelor:

- s asigure un procent ct mai mare de faz lichid din materialul supus presrii, dac se urmrete obinerea sucurilor; - s realizeze o repartiie uniform i progresiv a forelor de presare pe produsul supus presrii (n special la operaia de concentrare prin reducerea volumului); - prin presare nu trebuie s se distrug seminele i pieliele, n cazul legumelor i fructelor supuse presrii; - materialele din care este construit presa s fie protejate mpotriva aciunii corozive a acizilor din lichidele eliberate prin presare;

- s realizeze un contact ct mai mic i pe o durat ct mai scurt a lichidelor eliberate cu aerul, pentru a evita oxidarea acestora;

- s fie simple din punct de vedere constructiv; - operaiile auxiliare de ncrcare i descrcare s se fac uor; - s nu necesite operaii complexe de ntreinere.

7.2. Factorii care influeneaz presarea

Operaia de presare poate fi aproximat cu operaia de separare a unui amestec eterogen solid-lichid (dac se neglijeaz forele de legtur dintre fazele amestecului), prin metoda filtrrii prin capilare. Astfel, operaia de filtrare se poate exprima prin relaia:

2

128 L

p d tV

(7.1)

n care:

V este volumul de lichid eliberat;

359

p - diferena de presiune aplicat; d - diametrul unui por;

t - durata aplicrii presiunii; - vscozitatea lichidului; L - lungimea porului care trebuie parcurs de lichidul eliberat.

Din analiza relaiei (7.1) rezult c operaia de presare este influenat de dou grupe de factori, i anume: 1. Factori referitori la produsul care este presat:

- structura produsului care poate prezenta capilare sau pori (plini cu lichidul caracteristic produsului);

- rezistena fibrelor sau celulelor, precum i natura celulei (permeabil sau semipermeabil), determin eliberarea i deplasarea lichidului; - temperatura produsului care influeneaz asupra vscozitii; - concentraia sucului celular care influeneaz vscozitatea (presarea se face mai greu n cazul produselor care conin lichide vscoase datorit forelor de frecare care apar); - concentraia mare a produsului n fibre (substan uscat), determin mrimea pierderilor de presiune la eliberarea lichidului, fapt ce conduce la scderea forei de presare. 2. Factori referitori la utilajul de presare:

- avansul produsului n pres (viteza materialului); - debitul de alimentare, care trebuie corelat cu fora de presare; - uniformitatea alimentrii; - etaneitatea camerei de presare; - timpul de presare.

Volumul V al unui material supus presrii ntr-o camer de presare etan poate fi considerat, schematic, ca fiind format din trei pri (Fig. 7.1): - o parte ocupat de substana uscat, care are volumul Vs i nlimea hs; - o parte ocupat de fraciunea lichid, de volum Vl i nlime hl; - o parte ocupat de fraciunea gazoas, de volum Vg i nlime hg.

Fig. 7.1. Fraciunile componente ale unui produs care se preseaz.

Raportul dintre volumul total al materialului presat i volumul fraciunii solide/ poart denumirea de coeficient de ndesare:

s s

V h

V h (7.2)

Raportul dintre volumul ocupat de fraciunea lichid i gazoas i volumul fraciunii solide (substana uscat) poart denumirea de coeficient de porozitate:

360

l g

s

V VE

V

(7.3)

Legtura ntre coeficientul de ndesare i coeficientul de porozitate este dat de relaia:

1E (7.4)

Pentru camerele de presare cu seciune transversal constant pe toat lungimea, relaia (7.2) poate fi scris:

s s

h

h

(7.5)

n care:

reprezint densitatea materialului presat; s - densitatea substanei uscate.

O caracteristic de baz a procesului de presare este relaia indirect dintre creterea presiunii i scderea coeficientului de ndesare a substanei.

Fora de presare este format din fora necesar pentru ndesarea produsului i fora necesar pentru nvingerea forelor de frecare dintre produs i organele active ale utilajului de presare.

Dac se neglijeaz frecarea dintre produs i organele active ale utilajului de presare i se consider c produsul care se preseaz (comprim) este omogen, procesul de presare poate fi caracterizat prin legile mecanicii corpurilor dispersate:

1. ntr-un corp dispersat, fora raportat la unitatea de seciune de contact, normal pe ea, provoac o deformare d, care nu depinde de porozitatea iniial a corpului dispersat.

dPd k dP

dA (7.6)

n care:

k este o constant; P - fora de comprimare; A - aria normal asupra creia acioneaz fora P.

2. Limita de rezisten i limita de curgere a corpurilor dispersate, raportate la unitatea seciunii de contact, nu depind de porozitatea corpurilor.

k

P

A (7.7)

Aceste legi conduc la obinerea expresiei analitice ce caracterizeaz procesul de presare a unui corp dispersat, n condiiile n care camera de presare este etan (corpul nu se poate destinde lateral) i se neglijeaz pierderile de presiune prin frecare:

0

0

lnP

P (7.8)

n care:

361

P reprezint presiunea final de comprimare; P0 - presiunea iniial de comprimare; - coeficientul final de ndesare; 0 - coeficientul iniial de ndesare; - modulul de presare.

Randamentul presrii:

1

100

p

M

aM

(%) (7.9)

n care:

M1 reprezint cantitatea de lichid obinut n operaia de presare, (kg); M - cantitatea de materie prim supus presrii, (kg); a - coninutul n component lichid caracteristic (ulei, suc de fructe, must etc.) al

materiei prime, (%).

7.3. Tipuri de prese

Dup modul de acionare a forelor de presare asupra materialului supus presrii, presele se grupeaz n dou principale categorii: 1. Prese cu aciune discontinu. Acestea se grupeaz, la rndul lor, dup direcia forelor de presare, n:

- prese verticale: prese manuale cu prghii, cu urub, cu urub i cap hidraulic, hidraulice;

- prese orizontale: mecanice, mecano-hidraulice, hidraulice, pneumatice;

2. Prese cu aciune continu, care pot fi pneumatice i mecanice cu melc.

7.3.1. Prese cu aciune discontinu

Prese verticale cu prghii. Presele din aceast categorie sunt folosite pentru eliminarea zerului din brnz, realiznd n acelai timp o anumit form a materialului presat. Presarea se realizeaz sub aciunea unei fore de apsare, exercitat de greuti fixate pe prghii, asupra materialului aflat ntr-o camer de presare. 1. Presa cu o prghie (Fig. 7.2) este format din prghia 1 articulat la una din extremiti de cadrul fix 2, pe cealalt extremitate, liber, este fixat greutatea 3 necesar realizrii forei de presare. Prghia are punctul de aplicare a forei pe axul 4, a crei lungime reglabil permite plcii 5 s se aeze pe suprafaa produsului ce urmeaz a fi presat n forma 6. Reglarea lungimii axului 4 se realizeaz prin piesa filetat 7.

Presarea produsului n form se face cu o for P determinat de mrimea greutii G i de distana b de amplasare a greutii fa de articulaie, precum i de distana a dintre axul 4 i articulaie, astfel:

Pa = G b; de unde: P = b

Gc (N) (7.10)

Presiunea exercitat de fora P pe suprafaa produsului este determinat de suprafaa plan a produsului din form:

362

2

4bP G

a d

(N/m

2) (7.11)

n care d reprezint diametrul formei, (m).

Fig. 7.2. Presa vertical cu o prghie

2. Presa vertical cu dou prghii (Fig. 7.3) este utilizat pentru brnzeturi de form mai mare, care necesit fore de presare mai mari.

Fig. 7.3. Presa vertical cu dou prghii.

Construcia este asemntoare celei de la presa cu o prghie. Pentru a se mri fora aplicat de placa 6 asupra produsului din forma 7 se fixeaz prghia 3, prin piesa de legtur 2, de prghia 1. Greutatea 8 poate fi deplasat n funcie de fora de presare necesar, satisfcnd relaia:

1 2

1 2

b bP G

a a

(N) (7.12)

Fora P dezvolt pe suprafaa produsului o presiune ce poate fi calculat cu relaia:

1 2

2

1 2

4b bP G

a a d

(N/m2) (7.13)

Forma de presare se poate deplasa pe suportul 4 n funcie de cerinele procesului tehnologic.

Prese verticale cu urub. Sunt cele mai simple prese cu funcionare discontinu, folosite n sistemele gospodreti (Fig. 7.4).

363

Fig. 7.4. Presa vertical discontinu cu urub.

Este format dintr-o platform orizontal 1, n centrul creia se afl un urub 3. Pe platforma 1 se afl o carcas 2, deforma cilindric, format din ipci de lemn, nchis la partea superioar de placa 5. Presarea se realizeaz prin reducerea volumului materialului aflat n camera V, datorit nurubrii piuliei 4 pe urubul 3, cu ajutorul cheiei 7. ntre placa 5 i piulia 4 se introduc calele distaniere 6, din lemn, pentru ca mnerul cheiei 7 s nu ajung n contact cu carcasa 2. Presa este folosit la presarea botinei rezultat n urma operaiei de zdrobire. Mustul scurs printre ipcile carcasei 2 este colectat n jgheabul 8, dup care este trimis n vasele de fermentare.

Fora F care se aplic la manet se calculeaz n funcie de presiunea specific de comprimare p i aria de comprimare A:

F = p A (daN) (7.14)

Fora care acioneaz pe linia filetului urubului este:

F0 = F tg( + ) (7.15)

n care:

- unghiul de pant al filetului urubului; - unghiul de frecare dintre urub i piuli, ( = 8 - 17).

Prese discontinue orizontale. n general sunt cu tobe de presare de capacitate mare

(2000-4000 l), fiind destinate pentru separarea mustului din botina primit de la zdrobitoare. Presarea se realizeaz n 3-5 etape de presare. ntre etape se realizeaz destrmarea i

reaezarea materialului n camera de presare, pentru ca ntregul material s fie supus la aceleai fore de presare. Destrmarea se poate realiza prin dispozitive mecanice sau cu ajutorul vidului din centrul tobei.

Aceste prese pot fi mobile sau fixe (Fig. 7.5), cu aciune simpl sau dubl i cu comenzi manuale sau automatizate.

Procentul mediu de must obinut este de 78-81%, la presiuni de lucru ale instalaiei hidraulice sau mecanice de acionare cuprinse ntre 210-290 daN/cm2, respectiv ntre 5-6 daN/cm

2 n instalaia pneumatic.

Productivitatea acestor prese este mare i depinde de capacitatea tobei.

364

Fig. 7.5. Scheme tehnologice de prese discontinue orizontale:

a) pres mecanic orizontal cu aciune dubl; b) pres mecanic cu aciune simpl; c) pres hidraulic cu aciune simpl; d) pres hidraulic cu aciune dubl; e) pres mecano-

hidraulic; f) pres pneumatic 1- cadru metalic; 2- platouri de presare; 3- sistem de acionare a platourilor (mecanic au

hidraulic); 4- colectoare de must, respectiv de tescovin.

Presa orizontal mecano-hidraulic. Este folosit n procesul tehnologic de vinificaie pentru presarea botinei scurse. Presa (Fig. 7.6) este format din: dispozitivul de presare, dispozitivul de destrmare, toba de presare, dispozitivul de colectare i evacuare a mustului i tescovinei, mecanismul de acionare i cadrul presei.

Aceste prese pot efectua 3-5 presri, n funcie de starea botinei, ultima presare fcndu-se cu ajutorul platoului hidraulic. Dup 5 presri ale materialului din camera de presare, operaia nu mai este economic, deoarece n material se mai gsete o cantitate foarte mic de faz lichid (must < 0,2%). Toba are o micare de rotaie de 4 rot/min. i o capacitate de 3 500 1. n aceste prese procentul de must extras este de 79%, la o productivitate de 2,3 t/h.

Presa pneumatic orizontal cu bunduf. Este folosit n liniile de vinificaie pentru vinurile superioare. Tescovina din camera de presare, ntre etapele de presare, se destram liber. Presa are n componen urmtoarele ansamble principale (Fig. 7.7): cadrul presei, toba rotativ, sistemul de protecie a tobei, jgheaburile pentru evacuarea mustului i a tescovinei, dispozitivul de manevrare a jgheaburilor, grupul de acionare a tobei, grupul de acionare a melcului de tescovin, mecanismul de frnare a tobei, instalaia de aer comprimat.

Fig. 7.6. Presa orizontal mecano-hidraulic:

1- tob de presare; 2- ax longitudinal filetat; 3- platou metalic pentru presarea mecanic; 4- platou metalic pentru presarea hidraulic; 5- cilindru hidraulic; 6- piston; 7- arc de

readucere a platoului hidraulic; 8- inele metalice; 9- lanuri pentru destrmarea tescovinei; 10 i 20 - motoare electrice; 11- roat de curea; 12 - roat dinat pentru antrenarea tobei;

13- ax longitudinal; 14- coroan dinat; 15- mecanism cu excentric; 16- biel; 17- pomp cu piston; 18- robinet scurtcircuitare pomp; 19- rezervor fluid de lucru; 21- reductor mecanic; 22- melc transportor pentru evacuarea tescovinei; 23- mecanism de deplasare a jgheabului

colector de must; 24- circuitul fluidului de lucru.

365

Ciclul de presare a unei prese cu burduf este prezentat n figura 7.8 i cuprinde urmtoarele faze: - botina este introdus n toba rotativ i distribuit uniform pe ntreaga lungime a acesteia (operaia se execut manual); - se monteaz capacele i se fixeaz cu zvoare de nchidere; - se rotete toba, iar o parte din must se scurge fr intervenia forelor de presare; - se introduce aer comprimat n burduf, toba rotindu-se pn cnd presiunea atinge valoarea 0,4 daN/; '

- presarea continu fr rotirea tamburului pn la presiunea de 6 daN/;

Fig. 7.7. Schema tehnologic a presei pneumatice:

1- cadru metalic; 2- tob din oel inoxidabil cu orificii dreptunghiulare de 20 x 1,5 mm; 3- capace bombate; 4- capace pentru alimentare i descrcarea botinei, respectiv a tescovinei; 5- nervuri de rigidizare a tobei; 6- burduf din cauciuc (D = 0,59 m i V = 1,9 m'); 7- discuri de fixare a burdufului; 8- racord pentru instalaia pneumatic; 9- racord pentru evacuarea aerului comprimat; 10- jgheab pentru evacuare must; 11-jgheab pentru colectare tescovin; 12- melc de evacuare tescovin; 13- mecanism cu lan pentru deplasarea compartimentelor

10 i 11.

- dup ce scurgerea mustului extras prin presare n prima etap a ncetat, se trece la prima destrmare (afnare) a botinei din camera de presare; prin eliminarea aerului din burduf se creeaz un vid parial n interiorul camerei de presare; - se rotete toba pentru afnarea uniform a botinei; - se realizeaz o ncrcare suplimentar cu botin i urmeaz a doua etap de presare.

Procesul continu pn la eliberarea ntregii cantiti de must din botin i ntregul volum al camerei de presare este ocupat de tescovin.

Tescovina este evacuat n jgheabul respectiv, dup ce acesta a fost transportat sub gurile de evacuare, n locul jgheabului pentru must.

Presa realizeaz o extracie a mustului n proporie de 80 %, cu toate c presiunea exercitat este mic (0,5-0,6 MPa), datorit faptului c prezint urmtoarele avantaje:

- o suprafa mare de presare; - o grosime mic a stratului de material supus presrii; - presiunea se exercit radial, pe direcia i n sensul de scurgere a mustului.

Presa pneumatic vertical. Este format din (Fig. 7.9) cadrul fix 1 care susine masa de presare 2 i placa 3, pe care sunt fixai mai muli cilindri de presiune 9. Pistoanele 5, legate rigid de plcile de presare 7, sunt deplasate de energia aerului comprimat alimentat prin conducta 6. Plcile de presare 7 sunt scoase din forma de presare 8, n care se afl produsul pentru presare, de arcurile 4, dup ce se ntrerupe alimentarea cu aer a cilindrilor 9.

Presa poate funciona i n plan orizontal, realiznd presarea din dou pri asupra produsului. n acest caz, presa (Fig. 7.10) este format din cadrul 1 pe care se fixeaz un dispozitiv elastic 2, n care se aeaz materialul pentru presare. Sub aciunea aerului comprimat, alimentat prin conductele 4, pistoanele 5, care sunt legate rigid de discurile 3 prin

intermediul unor tije, se apropie, presnd produsul. Dup terminarea operaiei pistoanele revin

366

la poziiile iniiale, sub aciunea arcurilor 6, permind astfel i evacuarea produsului din dispozitivul de presare.

Fig. 7.8. Etapele de funcionare a presei pneumatice cu burduf.

Fig. 7.9. Presa pneumatic vertical.

Fig. 7.10. Presa pneumatic orizontal.

Prese hidraulice verticale. Folosesc energia unei pompe de ulei sau ap, care, acionnd un cap sau o plac de presare, comprim produsul ntr-un spaiu din ce n ce mai mic.

Pot fi: cu deplasare ascendent a capului de presare sau cu deplasare descendent a acestuia; cu unul sau mai multe capete de presare, cu aezare vertical sau cu aezare orizontal a camerei de presare.

n figura 7.11 este prezentat schema unei prese hidraulice cu deplasare ascendent a capului de presare. Presa este format din camera de presare 1, n care se afl placa de presare 2, legat rigid de pistonul 4 al cilindrului hidraulic cu dublu efect 5, prin tija 3. Micarea ansamblului rigid piston, tij i plac de presare este comandat prin circuitul hidraulic,

367

format din rezervorul 6, sorbul 7, pompa hidraulic 8, distribuitorul 9, conductele de presiune 10 i conducta de retur 11.

Fig. 7.11. Schema presei hidraulice verticale.

Fora util de presare care acioneaz asupra produsului din camera de presare este egal cu:

2

4

DP p

(kgf) (7.16)

n care:

p - presiunea specific a produsului comprimat la sfritul presrii; se alege n funcie de proprietile produsului iniial (pentru cacao solid p = 640 kgf/cm2, iar pentru struguri ntre 4 i 10 kgf/cm2);

D - diametrul camerei de presare, (cm).

Fora util este creat de presiunea lichidului de lucru asupra pistonului cilindrului hidraulic:

2

4

DP p G q d B

(kgf) (7.17)

n care:

q - presiunea specific a lichidului de lucru asupra pistonului cilindrului hidraulic, (kgf/cm

2);

d - diametrul pistonului, (cm);

G - suma greutilor tuturor pieselor mobile, (kg); - coeficientul care caracterizeaz construcia sistemului de etanare a pistonului; - coeficientul de frecare dintre piston i cilindru; B - limea sistemului de etanare, (cm).

n relaia (7.17) nu se ine seama de pierderile de presiune pentru imprimarea vitezei pistonului, deoarece acesta lucreaz la viteze mici. Egalnd relaiile (7.16) i (7.17), rezult:

2

2

4

4

Dp G

qd

d B

(kgf/cm

2) (7.18)

368

Debitul lichidului de lucru este:

2

4

dQ v

(kgf/cm

2) (7.19)

n care: v - viteza de ridicare a pistonului n timpul presrii, (dm/s).

Viteza optim de ridicare a pistonului se alege n funcie de proprietile i particularitile produsului care se prelucreaz. Experimental s-a stabilit c pentru obinerea uleiului de cacao, viteza pistonului este de 17 mm/min.

Puterea necesar a motorului electric se calculeaz cu relaia:

100

102e

QP k

(kW) (7.20)

n care:

- randamentul total al pompei i al transmisiei, (0,6...0,85); k - coeficient de rezerv de putere.

7.3.2. Prese cu aciune continu

Prese cu melc. Acestea folosesc ca suprafa de presare un melc transportor, care o dat cu presarea realizeaz i transportul produsului spre gura de evacuare, asigurnd astfel funcionarea continu. Pot fi cu melc orizontal i cu melc vertical.

1. Presa orizontal cu melc (Fig. 7.12) este format dintr-o parte fix i una mobil. Partea fix este constituit din: plnia de alimentare 1 prelungit cu un siloz colector 2 , desprite ntre ele prin sita 3; corpul principal de presare 4, de form cilindric, confecionat din sit de alam. Sita cilindric este ntrit de cercurile 5 din oel inoxidabil.

Fig. 7.12. Schema presei orizontale cu melc.

Partea mobil, care realizeaz presarea, este alctuit din melcii 7 i 8 montai pe axul 6, astfel nct s poat fi rotii n sensuri contrare unul fa de altul. Cei doi melci au psurile elicei diferite (descresctor), pentru a se mri fora de comprimare a produsului. Axul 6 are diametrul cresctor spre zona de evacuare a produsului presat.

369

Fig. 7.13. Schema presei verticale cu melc.

Conul de reglare 9 are rolul de a comprima produsul ntr-un volum din ce n ce mai

mic. Gradul de presare poate fi mrit prin deplasarea conului spre camera de presare, cu ajutorul piesei 10. In interiorul conului se afl sita 11, prin care se colecteaz ultimele cantiti de lichid obinute la presarea final, care sunt evacuate prin tuul 12. Produsul presat este evacuat din pres prin spaiul ce se formeaz ca un guler ntre conul de presare i marginea sitei.

Antrenarea melcilor cu vitez mic n sensuri contrare este realizat de mecanismul cu roi dinate 13.

2. Presa vertical cu melc (Fig. 7.13) este format din corpul fix 1, n care se colecteaz lichidul obinut prin presare i coul 2, pe care se fixeaz sitele de scurgere 3. n interiorul corpului se afl melcul 4, de o construcie foarte robust, montat pe axul 5 cu diametrul cresctor spre partea superioar. La partea superioar axul 5 are o evazare tronconic 6, care mrete fora de presare. Alimentarea cu produs se realizeaz prin cilindrul de alimentare 7 cu ajutorul unui melc distribuitor 8, iar evacuarea produsului presat se face

prin gulerul 9 n canalul colector 10.