ITMI20071920A1 - Mulino a rulli e procedimenti pe rla macinazione di grani alimentari - Google Patents
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Description
Descrizione di una domanda di brevetto per
industriale
DESCRIZIONE
La presente invenzione si riferisce ad un mulino a rulli e ad un procedimento per la macinazione di grani alimentari in genere, tostati o non tostati (ceffè, orzo, cacao, arachidi, ecc..).
E’ noto che in un mulino a rulli per caffè la macinazione del chicco è ottenuta per azione combinata di compressione e di taglio sul chicco stesso.
Mentre l’azione di compressione è dovuta alla combinazione delle forze di attrito dei due rulli controrotanti, l' azione di taglio è dovuta alla differenza fra le velocità periferica dei due rulli: se fosse uguale la velocità angolare dei due rulli che presentano pari diametro, l' azione di taglio sarebbe nulla.
Un mulino di tipo noto è generalmente composto da una sezione di alimentazione, da una sezione di macinazione, e da una sezione di miscelazione delle polveri ricavate dalla macinazione stessa, essendo l’omogeneità della distribuzione della granulometria estremamente importante per la qualità del macinato.
A sua volta la sezione di macinazione è composta generalmente da tre sotto sezioni: rottura, finitura e superfinitura, di cui la terza sotto sezione è talvolta assente.
Ciascun rullo è dotato di rigature più o meno profonde, studiate in modo di ottimizzare l’effetto di macinazione a cui quello stadio è preposto, ma diverse fra uno stadio e l’altro: ciascun tipo di rigatura è ottimizzato in funzione del compito che lo stadio deve assolvere (rottura, finitura o superfinitura) e del tipo di caffè (arabica, moka, ecc) che il mulino deve macinare.
Come noto in ciascuna sotto sezione di macinazione i rulli controrotanti sono accoppiati tra di loro attraverso un ingranaggio che conduce il moto dal rullo motore al condotto.
Il motore viene messo in moto da una trasmissione azionata da uno o più motori. Nelle architetture più semplici il motore di azionamento è unico per tutta la sezione di macinazione, mentre esistono architetture con un motore dedicato per ogni sotto sezione di macinazione.
In questa configurazione, quando è il mulino è dotato di un motore per ogni sotto sezione di macinazione, è possibile variare la velocità di ciascun rullo motore da una sotto sezione rispetto all’altra, per ottimizzare il processo di macinazione.
Quando il motore è unico, il rapporto di velocità fra le varie sotto sezioni è imposto dai parametri della trasmissione stessa. In tutti casi, si ottiene una diversa velocità periferica fra i due rulli della stessa sotto sezione agendo sul rapporto di trasmissione dell’ingranaggio che conduce il moto dal motore al rullo condotto. Questo rapporto è quindi fìsso, imposto dalla costruzione del mulino stesso: non è possibile variarlo se non intervenendo fisicamente e procedendo allo smontaggio delle mote dentate ed alla loro sostituzione.
Si noti che la sostituzione dei rulli con altri di rigatura più adatta al nuovo caffè in macinazione o la sostituzione degli ingranaggi per variare il rapporto di trasmissione è un’attività che richiede parecchie ore/uomo con fermi macchina importanti.
Nel processo di macinazione, è di fondamentale importanza poter controllare sia le dimensioni del grano ottenute a valle di ciascun stadio di macinazione sia la temperatura del caffè che non deve mai eccedere una soglia ben precisa pena il forte degrado della qualità del macinato ottenuto.
Per questa ragione, i rulli sono cavi e percorsi al loro interno da una corrente dì acqua fredda, così come il miscelatore della sezione di miscelazione è dotato di una camicia esterna delimitante una intercapedine in cui circola acqua di raffreddamento.
La produttività del mulino (intesa come massa di caffè macinato nellunità di tempo) è minore all'aumentare della finezza del grano macinato, dovendosi rispettare la temperatura massima del caffè.
Intendiamo con finezza del grano macinato la dimensione della particella di caffè a valle della sezione di macinazione.
Maggiore è la finezza del grano, maggiore sarà il lavoro dì macinazione, maggiore sarà l’energia trasferita ai caffè, maggiore l’aumento di temperatura se non si aumenta il tempo in cui questo lavoro di macinazione è eseguito, con riduzione della produttività oraria.
La flessibilità del mulino, intesa come sua capacità di operare su diversi tipi di caffè (moka, arabica, Napoli, ecc) è limitata dal tipo di rulli installato: quel mulino potrà operare solo sul caffè per cui sono state ottimizzate le rigature dei rulli montati e fintanto che le rigature sono sufficientemente profonde, non essendo state ancora ridotte dall’usura del rullo.
La regolazione del mulino, nell’arte nota, è limitata alla registrazione della distanza fra i due rulli a mezzo di un meccanismo micrometrico, ed ad alcune regolazioni della velocità, quando il motore o i motori sono controllati da inverter.
Attraverso la variazione della distanza, si agisce sulla forza di compressione sul chicco, ed, indirettamente sulla forza di taglio, aumentando l' effetto di macinazione al diminuire della distanza fra i rulli, a scapito di un aumento di temperatura del macinato e di una riduzione della durata dei rulli stessi.
Nel caso di un solo motore per l' intera sezione di macinazione, sarà possibile variare la velocità dell' intera sezione, lasciando invariati i rapporti fra le velocità di ciascuna coppia di rulli e fra le velocità delle sotto sezioni. Questi rapporti sono fissati dai parametri meccanici della trasmissione.
Nel caso di un motore con inverter per ogni sotto sezione, sarà possibile anche variare la velocità relativa fra una sotto sezione e l’altra, rallentando le sotto sezioni a monte qualora quelle/o a valle fossero impossibilitati a smaltire il macinato ricevuto.
E’ importante osservare che tutte queste regolazioni sono fatte “a esperienza” attraverso un sistema prova/correggi che genera una base dati a disposizione dell’operatore: non esistono nell’arte nota parametri rilevati che possono costituire una guida per chi sta conducendo e regolando il mulino.
Compito tecnico che si propone la presente invenzione è, pertanto, quello di realizzare un mulino a rulli ed un procedimento per la macinazione di grani alimentari che consentano di eliminare gli inconvenienti tecnici lamentati della tecnica nota.
Nell’ambito di questo compito tecnico uno scopo dell’invenzione è quello di realizzare un mulino a rulli ed un procedimento per la macinazione di grani alimentari che consentano un miglioramento prestazionale congiunto sia dal punto di vista della produttività sia dal punto di vista della qualità del macinato.
Un altro scopo dell’invenzione è quello di realizzare un mulino a rulli per la macinazione di grani alimentari che presenti una elevata flessibilità ad essere impiegato con diversi tipi di grani. Non ultimo scopo dell’ invenzione è quello di realizzare un mulino a rulli per la macinazione di grani alimentari che possa ottimizzare l’efficacia di macinazione nel rispetto dei parametri di processo per avere la migliore produttività abbinata alla migliore qualità del macinato.
Il compito tecnico, nonché questi ed altri scopi, secondo la presente invenzione vengono raggiunti realizzando un mulino a rulli per la macinazione di grani alimentari, presentante almeno una coppia di rulli di macinazione contro rotanti comandati ciascuno da un motore indipendente.
Preferibilmente ciascun rullo di ciascuna coppia di rulli di macinazione contro rotanti di ciascuna sotto sezione di macinazione della sezione di macinazione presenta un rispettivo motore indipendente controllato da un rispettivo azionamento, ad esempio un in verter o una soluzione equivalente come motore brushless o motore AC con azionamento vettoriale, o con qualunque motore elettrico controllato con un azionamento. Il mulino a rulli della presente invenzione può presentare un sistema di regolazione in anello aperto o preferibilmente in anello chiuso per il controllo della velocità di rotazione di ciascun rullo.
Il sistema di regolazione in anello chiuso può essere del tipo presentante o meno dei sensori di velocità.
Il mulino a rulli della presente invenzione comprende mezzi di rilevamento della temperatura dei grani a valle di ogni sezione o sotto sezione di macinazione, e mezzi di rilevamento della granulometria dei grani a valle di ogni sezione o sotto sezione di macinazione attivabili per la regolazione dei parametri di processo.
Il mulino a rulli della presente invenzione prevede vantaggiosamente un supervisore di processo per la gestione delle ricette di produzione.
Il procedimento per la macinazione di grani alimentari con un mulino a rulli della presente invenzione consiste nel variare l’effetto di taglio sul grano controllando indipendentemente la velocità di rotazione di ciascun rullo di ciascuna coppia di rulli di macinazione contro rotanti per variare il rapporto di velocità di rotazione di ciascuna coppia di rulli contro rotanti.
L’effetto di taglio sul grano viene variato per aumentare l’efficacia di macinazione e/o per simulare rigature dei rulli diverse adatte a diverse tipologie di grani, e/o per compensare la variazione del profilo dei rulli dovuta all’usura che altera le loro rigature.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione di una forma di esecuzione preferita ma non esclusiva del un mulino a rulli e del procedimento per la macinazione di grani alimentari secondo il trovato, illustrata a titolo indicativo e non limitativo nei disegni allegati, in cui:
- la figura 1 mostra uno schema funzionale a blocchi del mulino a rulli;
- la figura 2 mostra uno schema funzionale del supervisore; - la figura 3 mostra uno schema funzionale dì ciascuna sotto sezione di macinazione.
Di seguito faremo riferimento specifico alla macinazione di caffè in polvere anche se l’invenzione trova campo di applicazione più generale per un qualunque grano alimentare. Lo schema funzionale della sezione del mulino è illustrato in figura 1.
Il mulino comprende una sezione di alimetazione 1, una sezione di macinazione 2 comprendente sequenzialmente una prima sotto sezione di rottura 3, una seconda sotto sezione 4 di finitura ed una terza sotto sezione di super finitura 5, e una sezione di miscelazione 6.
La sezione di alimentazione 1 comprende un gruppo, formato da inverter la - motore 1b - riduttore le, responsabile diretto della rotazione del rullo 1d.
La sotto sezione di rottura 3 comprende un primo gruppo formato da inverter 3a - motore 3b - riduttore 3c, responsabile diretto della rotazione del rullo 3d, ed un secondo gruppo formato da in verter 3 e - motore 3f - riduttore 3g, responsabile diretto della rotazione del rullo 3h contrapposto al rullo 3d.
La sotto sezione di finitura 4 comprende un primo gruppo formato da inverter 4a - motore 4b - riduttore 4c, responsabile diretto della rotazione del rullo 4d, ed un secondo gruppo formato da inverter 4e - motore 4f - riduttore 4g, responsabile diretto della rotazione del rullo 4h contrapposto al rullo 4d.
La sotto sezione di superfinitura 5 comprende un primo gruppo formato da inverter 5a - motore 5b - riduttore 5c, responsabile diretto della rotazione del rullo 5d, ed un secondo gruppo formato da inverter 5e - motore 5f - riduttore 5g, responsabile diretto della rotazione del rullo 5h contrapposto al rullo 5d.
La sezione di miscelazione 6 comprende un gruppo formato da inverter 6a - motore 6b , responsabile diretto della rotazione del rullo 6d.
A monte della sezione di alimentazione 1 è presente un sensore di temperatura rappresentato con un rombo, così come a valle di ogni sotto sezione di macinazione e della sezione di miscelazione è presente un sensore di temperatura rappresentato con un rombo. T0, T1, T2, T3 e rispettivamente T4 sono le temperature rilevate dai sensori della sezione di alimentazione, della prima sotto sezione di macinazione, della seconda sotto sezione di macinazione, della terza sotto sezione di macinazione e rispettivamente della sezione di miscelazione. Il sensore di temperatura può ad esempio essere una termocoppia o un pirometro ottico.
L’unità logica del sistema di regolazione invia un valore di set point (indicato con IN3b per il motore 3b, IN3f per il motore 3f, IN4b per il motore 4b, IN4f per il motore 4f, IN5b per il motore 5b, IΝ5f per il motore 5f, IN6b per il motore 6b) ad ogni motore almeno della sezione di macinazione 2 ed in particolare anche al motore della sezione di miscelazione 6.
La velocità di rotazione di ciascun rullo è rilevata a mezzo di apposito sensore (non mostrato) e viene regolata in anello chiuso. Il segnale di uscita (indicato con OUT3b per il motore 3b, OUT3f per il motore 3f, OUT4b per il motore 4b, OUT4f per il motore 4f, OUT5b per il motore 5b, OUT5f per il motore 5f, OUT6b per il motore 6b) viene restituito all’unità logica. La chiusura in retroazione può essere anche ottenuta senza sensore bensì tramite controllo vettoriale della rotazione che consente di ricavare il valore della velocità reale.
In figura 1 si vede anche il sistema di regolazione della distanza fra i rulli nella sezione di macinazione 2: il gruppo motore 3i -riduttore 31 regola l’interasse tra i rulli (paralleli) 3d e 3h ed il sensore/trasduttore di posizione 3m misura il loro interasse; il gruppo motore 4i - riduttore 41 regola l’interasse tra i rulli (paralleli) 4d e 4h ed il sensore/trasduttore di posizione 4m misura il loro interasse a distanza; e il gruppo motore 5i -riduttore 51 regola l’interasse tra i rulli (paralleli) 5d e 5h ed il sensore/trasduttore di posizione 5m misura il loro interasse.
Il motore di ciascun sistema di regolazione della distanza tra i rulli è anch’esso retroazionato tramite il corrispondente sensore/trasduttore di posizione che controlla la loro posizione. Potendo variare la velocità relativa fra i rulli, è possibile variare l’effetto di taglio sul chicco in macinazione rendendo il mulino estremamente più flessibile, consentendo di ottimizzare la granulometria del macinato non soltanto ricorrendo alla variazione della compressione intervenendo sulla distanza fra i rulli, od alla sostituzione dei rulli stessi con altri di rigatura diversa, ma anche ricorrendo ad un effetto più o meno pronunciato del taglio. Mano a mano che il rapporto fra la velocità periferica dei due rulli aumenta rispetto a 1:1 si ha un effetto di taglio sempre più pronunciato, che permette di aumentare l' efficacia della macinazione e di simulare rigature diverse adatte a diverse tipologie di grani, con vantaggio della flessibilità del mulino.
Si può anche compensare la variazione del profilo dei rulli dovuta all’usura che altera le rigature stesse.
Nelle figure 2 e 3 è riportato lo schema di principio dell’algoritmo di controllo della temperatura.
Nello stadio di supervisione si determinano i setpoint delle singole sotto sezioni della sezione di macinazione 2 (T1setp per la sotto sezione 3, T2setp per la sotto sezione 4, T3setp per la sotto sezione 5) calcolandoli sulla base di un parametro (indicato con “E” in figura 2) che tiene conto della temperatura in uscita del caffè macinato (T4) e di un valore massimo impostabile liberamente (Tmax), e sulla base di un profilo di temperatura “verticale” (T1 prof, T2prof, T3prof) che sarà inseguito dal caffè nel passaggio dalla prima all’ultima sotto sezione di macinazione.
Calcolato il setpoint (T1setp, T2setp, T3setp ), il controllo passa agli algoritmi PID (controllore Proporzionale-Integrale-Derivato) che controllano scorrimento (differenza di velocità angolare tra i contrapposti rulli dello stesso diametro di ogni sotto sezione di macinazione) e schiacciamento (interasse tra i rulli dello stesso diametro di ogni sotto sezione di macinazione) con pesi differenti (rappresentati dal rombo con il simbolo %) impostabili liberamente dairutente.
In figura 3, i indica la sotto sezione di macinazione (i= 3, 4, 5), Ti (come già detto) indica la temperatura reale rilevata a valle della sotto sezione di macinazione i, Ei indica lo scostamento tra Tisetp e Ti, Si indica io scorrimento nella sotto sezione i, e Pi indica lo schiacciamento nella sotto sezione i.
Dal PID che controlla lo scorrimento si ha preferibilmente in uscita direttamente il valore di velocità del rullo veloce, essendo la velocità del rullo lento fissata sulla base del desiderato valore di produttività oraria. Il valore di velocità desiderato sarà conseguito agendo direttamente sull’inverter che controlla il motore che aziona il rullo veloce.
Dal PID che controlla lo schiacciamento si ha in uscita il valore dell’interasse tra i rulli. Questo sarà a sua volta il setpoint di un algoritmo di tipo ON/OFF che retroazionando il motore del meccanismo di spostamento dei rulli tramite un trasduttore dì posizione controlla la loro posizione.
Vantaggiosamente attraverso il supervisore schematizzato in figura 2 possono essere gestite delle ricette di produzione.
Va inoltre sottolineato come rilevando la temperatura a valle di ogni sotto sezione di macinazione è possibile ottimizzare l’effetto di macinazione, riducendo al minimo la granulometria in ogni sotto sezione, con vantaggio della produttività senza rischiare diminuzione della qualità della polvere, anzi potendo garantire il massimo del rispetto dei parametri di processo.
In altre parole, è possibile spingere al massimo la riduzione di granulometria sulla soto sezione di macinazione precedente, aumentando l’effetto di taglio sui rulli della sotto sezione di macinazione a monte e diminuendo la distanza fra i rulli, rendendo più facile il lavoro alla sotto sezione successiva, senza mai surriscaldare il macinato, perché se ne conosce la temperatura.
Prelevando con un apposito condotto una piccola quantità di polvere a valle di ciascuna sotto sezione è possibile inoltre eseguire rilievi di granulometria in diretta ottimizzando le ricette di lavoro per via sperimentale, sulla base dello spettro di granulometria rilevato dal granulometro. Le granulometrie a valle di ciascuna sotto sezione di macinazione possono essere rilevata a mezzi di un granulometro (tre granulometri, uno per ogni sotto sezione di macinazione, , od un solo granulaometro che legge in sequenza i tre valori).
Vantaggiosamente infine è possibile conseguire un cospicuo risparmio energetico nella gestione del mulino attraverso un sistema di controllo per cui nelle singole sotto sezioni di macinazione il motore più lento recupera l’energia generata dall’asse del motore del rullo veloce utilizzando un bus di potenza (ad esempio un bus DC) e reimmettendola in rete.
Il mulino così concepito è suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell’ambito del concetto inventivo; inoltre tutti i dettagli sono sostituibili da elementi tecnicamente equivalenti.
In pratica i materiali utilizzati, nonché le dimensioni, potranno essere qualsiasi a secondo delle esigenze e dello stato della tecnica.
Claims (17)
- RIVENDICAZIONI 1. Mulino a rulli per la macinazione di grani alimentari, caratterizzato dal fatto di presentare almeno una coppia di rulli di macinazione contro rotanti comandati ciascuno da un motore indipendente.
- 2. Mulino a rulli per la macinazione di grani alimentari secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di presentare una sezione di macinazione costituita da una pluralità di sotto sezioni di macinazione in ognuna delle quali è presente una coppia di rulli di macinazione contro rotanti comandati ciascuno da un motore indipendente.
- 3. Mulino a rulli per la macinazione di grani alimentari secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che ciascun rullo presenta un rispettivo motore indipendente controllato da un rispettivo azionamento,
- 4. Mulino a rulli per la macinazione di grani alimentari secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che ciascun rullo presenta un sistema di regolazione della sua velocità di rotazione.
- 5. Mulino a rulli per la macinazione di grani alimentari secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto sistema di regolazione è in anello chiuso e comprende un sensore di rilevamento della velocità di rotazione reale di detto rullo.
- 6. Mulino a rulli per la macinazione di grani alimentari secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto sistema di regolazione è in anello chiuso e comprende un controllore vettoriale da cui si ricava la velocità di rotazione reale di detto rullo.
- 7. Mulino a rulli per la macinazione di grani alimentari secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere a valle di ciascuna sotto sezione di macinazione mezzi di rilevamento della temperatura di detti grani.
- 8. Mulino a rulli per la macinazione di grani alimentari secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere a valle di ciascuna sotto sezione di macinazione mezzi di rilevamento della granulometria di detti grani.
- 9. Mulino a rulli per la macinazione di grani alimentari secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che a ciascuna coppia di rulli è associato un recuperatore di energia che trasferisce energia dall’asse del motore del rullo veloce all’asse del motore del rullo lento reimmettendola in rete utilizzando un bus di potenza.
- 10. Mulino a rulli per la macinazione di grani alimentari secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere un supervisore di processo per la gestione delle ricette di produzione.
- 11. Procedimento per la macinazione di grani alimentari con un mulino a rulli, caratterizzato dal fatto di consistere nel variare l' effetto dì taglio sui detti grani controllando indipendentemente la velocità di rotazione di ciascun rullo di ciascuna coppia di rulli di macinazione contro rotanti per variare il rapporto di velocità dì rotazione di ciascuna coppia di rulli contro rotanti.
- 12. Procedimento per la macinazione di grani alimentari con un mulino a rulli secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che l’effetto di taglio su detti grani viene variato per aumentare l’efficacia di macinazione.
- 13. Procedimento per la macinazione di grani alimnetari con un mulino a rulli secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che l’effetto di taglio su detti grani viene variato per simulare rigature dei rulli diverse adatte a diverse tipologie di detti grani.
- 14. Procedi mento per la macinazione di grani alimentari con un mulino a rulli secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che l’effetto di taglio su detti grani viene variato per compensare la variazione del profilo dei rulli dovuta all’usura che altera le loro rigature.
- 15. Procedimento per la macinazione di grani alimentari con un mulino a rulli, caratterizzato dal fatto di regolare i parametri di processo rilevando la temperatura dei detti grani e/o la loro granulometria a valle di ciascuna sotto sezione di macinazione.
- 16. Procedimento per la macinazione di grani alimentari con un mulino a rulli secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che l’indicazione della temperatura rilevata a valle delle sotto sezioni di macinatura viene utilizzata per pilotare lo scorrimento e l’interasse tra i rulli contro rotanti di ciascuna sotto sezione di macinazione in modo tale da massimizzare la riduzione di granulometria in ogni sotto sezione di macinazione.
- 17. Mulino a rulli e procedimento per la macinazione di grani alimentari come descritto e rivendicato.
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