Изучение особенностей работы и устройства экструдера

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Целью курсовой работы является: изучение особенностей работы и устройства экструдера; определение цели процесса экструзии.

Задачи: изучить научно-техническую литературу, связанную с пищевой промышленностью в частности с процессом экструзии; рассмотреть разные типы экструдеров, выявить их особенности; графически изобразить один из представленных в курсовой работе экструдеров.

Процесс экструзии появляется в 30-х годах прошлого столетия. Экструдировать, что буквально означает «выталкивать наружу», можно различными способами. Создаются машины для проведения этого процесса. Экструзионная техника, а именно червячная (шнековая), обеспечивающая проведение сложных технологических процессов непрерывно, и в настоящее время является наиболее перспективной в различных отраслях пищевой промышленности. Экструдеры позволяют совместить ряд операций в одной машине, проводить их быстро и непрерывно (в частности, составлять композиции из нескольких компонентов, перемешивать, сжимать, нагревать, варить, стерилизовать, формовать практически одновременно).

Экструзионная обработка пищевого сырья представляет собой процесс превращения дисперсного материала (крахмалосодержащего сырья, белковых комплексов, липидов, полисахаридов и пищевых добавок) под действием температуры, сдвиговых усилий и перепадов давления в однородный по микроструктуре пластичный пищевой продукт. Преимущество технологии экструзии над другими способами обработки пищевого сырья заключается в возможности получения пищевых продуктов с заданными свойствами из различных видов сырья с минимальным потерями ценных термолабильных веществ, малой потребности в производственных площадях и единицах оборудования благодаря совмещению ряда процессов термопластичной обработки в одном устройстве-экструдере.

Процесс экструзии широко используется в пищевой промышленности. Уникальной особенностью этого процесса является его универсальность как по перерабатываемому сырью, так и по конечным продуктам. С его помощью перерабатывают белки, полисахариды, смеси белков и смеси белков с полисахаридами, цельносмолотое зерно, вторичное сырье мясной, молочной и рыбной промышленности. В результате экструзионной переработки биополимеров получают готовые завтраки, закуски, аналоги мясо- и рыбопродуктов, макароны и каши быстрого приготовления. Производство широкого спектра продуктов базируется, во-первых, на мощной промышленной базе фирм, выпускающих экструдеры различных модификаций и производительности, и, во-вторых, на жестком контроле экструдируемого сырья, качества конечных продуктов и технологических параметров процесса. Задача получения экструзионных продуктов питания с заданными физико-химическими и потребительскими свойствами решается путем эмпирического подбора технологических параметров процесса и экструдируемого сырья. В лучшем случае, используется методы планирования многофакторного эксперимента. Вместе с тем, разработка новых типов продуктов, оптимизация процесса и совершенствование экструзионного оборудования требует более глубокого понимания процессов, происходящих при экструзионной переработке биополимеров и их смесей.

1. Общая характеристика процесса

Процесс формования пищевых сред - один из самых сложных процессов пищевой технологии. Именно в этом процессе во всем многообразии проявляется весь диапазон физико-механических свойств формуемого материала. Поэтому конструкторские решения формующих машин полностью определяются технологическими свойствами соответствующей среды.

Формованием называется технологический процесс придания перерабатываемому продукту определенной формы.

Экструзией называется технологический процесс выдавливания жгутов перерабатываемой массы через формующие отверстия матрицы.

Процессы формования пищевых сред довольно различны и многообразны вследствие специфичности и многообразия видов перерабатываемого сырья.

Для переработки пластичного полуфабриката в готовые изделия определенной формы и размера используются следующие виды формования: отсадка, штамповка, отливка, резка, прессование, экструдирование и др.

Отсадкой называется процесс получения формованных изделий путем циклического выдавливания пластичной массы через профильные насадки на подвижную или неподвижную поверхность.

Особое внимание заслуживает производство изделий губчатой структуры (пастилы, зефира, сбивных и кремовых конфет и т.п.) формованием. Отличительными особенностями производства этих продуктов являются как невозможность их хранения до формования (из-за разного давления происходит уменьшение пышности пенообразной структуры), так и разрушение пенообразной структуры при формовании.

Штамповка -- это резка исходного продукта в виде жгута на отдельные изделия и придания им различной формы.

Резка -- это деление пластов пищевых масс на отдельные части в форме параллелепипеда.

Отливка -- это получение изделий определенного объема, формы и рисунка из полужидкой или жидкой кондитерской массы отливкой ее в форму.

В зависимости от теплового режима выделяют 3 типа экструзии:

1. Холодная экструзия -- происходят только механические изменения в материале вследствие медленного его перемещения под давлением и формование этого продукта с образованием заданных форм.

2. Теплая экструзия -- наряду с механическим осуществляется тепловое воздействие на обрабатываемый продукт, причем продукт подогревается из вне.

3. Горячая экструзия -- процесс проводится при высоких скоростях и давлениях, значительном переходе механической энергии в тепловую, что приводит к различным по глубине изменениям в качественных показателях продукта. Кроме того, может иметь место регулируемый подвод тепла как непосредственно к продукту, так и через наружные стенки экструдера. Массовая доля влаги в сырье при горячей экструзии составляет 10…20%, а температура превышает 120 С.

Каждый из температурных режимов экструзии характеризуется определенными значениями влажности экструдируемой массы и давлением в экструдере.

Режим экструзии	Влажность массы, %	Давление в экструдере, МПа
Холодная	Более 28	Менее 10
Теплая	24-30	9-12
Горячая	14-20	12-20

Наибольшее распространение в производстве готовых завтраков, закусок, аналогов мясо- и рыбопродуктов получила горячая экструзия, т.е. термопластическая экструзия.

2. Основные представления о поведении биополимеров в процессе термопластической экструзии

Общая схема процесса термопластической экструзии биополимеров представлена на рис.1. Слежение за процессом экструзии биополимеров осуществляется путем контроля, как минимум, трех параметров: влажности экструдируемого сырья, температуры в различных зонах экструдера, а также скорости вращения шнека экструдера. При этом в экструдере, как правило, выделяют несколько зон - зону питания, зоны плавления и дозирования, а также головку экструдера с фильерой.

Рис. 1. Упрощенная схема экструзионной установки и процесса термопластической экструзии биополимеров.

При использовании одношнековых машин предварительно увлажненное и перемешанное сырье попадает в зону питания, где оно дополнительно перемешивается и сжимается с помощью шнека. В зоне питания осуществляется нагрев экструдируемого сырья до температуры 60-80 С. При такой температуре и содержании воды до 30% биополимеры пластифицируются и переходят из стеклообразного состояния в высокоэластическое.

В зоне плавления, в которой температура обычно поддерживается 120-190 С, материал переходит в вязко-текучее состояние, образуя расплав биополимеров. В этих условиях происходит денатурация нативных белков и желатинизация крахмалов. При этом кристаллические области способных к кристаллизации биополимеров, например амилозы и амилопектина в составе крахмала, плавятся, а аморфные переходят из неупорядоченного высокоэластичного состояния в вязко-текучее. В зоне дозирования завершаются процессы перехода биополимеров в вязко-текучее состояние. Было показано, что уже в этой зоне начинается структурообразование расплавов, фиксируемое затем в получаемых экструдатах.

Наиболее интенсивно структурообразование расплавов биополимеров протекает под действием сил сдвига и растяжения в головке экструдера и фильере. Это обусловлено изменением реологических условий течения в этих зонах.

В зависимости от конструкции фильеры можно получать экструдаты всех трех типов структур: пористой, волокнистой и однородной макроструктуры. Последние две получают, используя охлаждаемые фильеры, в которых происходит постепенное охлаждение расплава биополимеров и понижения давления, что предотвращает «взрывное» испарение воды на выходе расплава биополимеров из фильеры. При получении экструдатов пористой макроструктуры, наоборот, используют короткие неохлаждаемые фильеры. При выходе расплава биополимеров через такую фильеру происходит резкий сброс давления, что приводит к «взрывному» испарению воды и образованию пористой макроструктуры.

Необходимыми условиями получения экструзионных продуктов питания являются: увлажнение и пластификация сырья, получение расплава биополимеров, денатурация белков и клейстеризация крахмалов, структурирование расплава под действием сил сдвига и растяжения, его охлаждение и формование. Следует отметить, что наиболее важным из перечисленных условий является получение расплава биополимеров, то есть переход биополимеров в условиях экструзии в вязко-текучее состояние. Способность биополимеров переходить в вязко-текучее состояние обеспечивает проведение самого процесса и отражено в названии процесса экструзии как термопластической.

3. Экструзионные продукты, получаемые на пищевых экструдерах

1. Закусочные изделия снэкового ассортимента (чипсы, фигурные и воздушные изделия);

2. Готовые завтраки;

3. Легкие кондитерские изделия (трубочки, подушечки, батончики);

4. Заменители хлебобулочных изделий (воздушные бездрожжевые хлебцы, галеты);

5. Закусочные изделия лечебно-профилактического и оздоровительного направления;

6. Отделочные и вспомогательные продукты для пищевого производства (наполнители, панировка);

7. Функциональные регуляторы для отраслей пищевой промышленности (стабилизаторы, загустители);

8. Заменители мясо- и рыбопродуктов (фаршевые наполнители, стейки);

9. Корма для животноводства и рыбоводства.

4. Классификация экструдеров

По типу основного рабочего органа экструдеры подразделяют на одношнековые, многошнековые, дисковые, поршневые и др. Классификация экструдеров приведена на рис.2.

Поршневые и валковые экструдеры оказывают щадящее воздействие на перерабатываемый продукт, их используют для формования продукта с нежной консистенцией.

Валковые экструдеры применяют в машинах без матриц, шестеренные - для формования однородных и гомогенных материалов в машинах с матрицами.

Производительность шнекового экструдера определяется взаимодействием нагнетателя и формующей головки.

Расходно-напорная характеристика (РНХ) нагнетателя -- зависимость создаваемого им расхода материала Q от противодавления р на выходе, РНХ формующего органа (матрицы) -- это функция расхода через отверстия матрицы от давления в предматричной камере.

Анализ РНХ шнекового нагнетателя и формующей головки позволяет определить производительность экструдера и развиваемого при этом давления на входе в матрицу для конкретного сечения шнек-матрицы при заданной частоте вращения шнека.

5. Виды экструдеров

Экструдер состоит из нескольких основных узлов -- корпуса, оснащенного нагревательными элементами, рабочего органа (шнека, диска, поршня), размещенного в корпусе, узла загрузки перерабатываемого продукта, привода, системы задания и поддержания температурного режима и других контрольно-измерительных и регулирующих устройств.

Используемые в пищевой промышленности экструдеры довольно разнообразны по конструктивному оформлению. Но все они имеют формующий элемент - матрицу, которая формой и размерами отверстий определяет поперечное сечение экструдируемого жгута, и нагнетатель, который должен создать в экстругируемой массе необходимое давление для того, чтобы вызвать ее течение через отверстие матрицы с желаемой скоростью. Матрица (рис. 3) представляет собой плоский металлический диск с отверстиями, через которые продавливается формируемая масса. Форма отверстия матрицы определяет вид изделия. При формировании сплошных изделий форма поперечного сечения отверстий бывает круглая, прямоугольная, квадратная и более сложная. Сложные отверстия с вкладышами применяют при формировании полых изделий.

Материал для матрицы должен быть коррозионно-стойким, обладать антиадгезионными свойствами и высокой прочностью. Для изготовления матриц экструдеров для пищевой промышленности наиболее часто применяют латунь, бронзу, и нержавеющую сталь. Чтобы снизить прилипаемость формуемого продукта, отверстия полируют и хромируют. Широко применяют в настоящее время матрицы, состоящие из металлической обоймы и смежных вставок. Вставки представляют собой смежные гильзы с формующими отверстиями, изготовляются из пластмасс (тефлон, альгофон и др.). Преимуществом таких матриц является возможность при одной и той же обойме сменой вставных гильз получать изделия различного сечения.

Рис.3 Общий вид матрицы

Нагнетатель экструдера может быть периодического действия или непрерывного действия.

Рис. 4 Схемы винтового и гидравлического поршневых нагнетательных устройств периодического действия

На рис. 4 показаны схемы винтового и гидравлического поршневых нагнетательных устройств периодического действия. Подобное устройство представляет собой цилиндр 1, одним из торцов которого является матрица 2 с отверстиями определенной формы. Пуансон 3, приводимый в движение гидравлическим или винтовым устройством, входит в этот цилиндр и вытесняет предварительно заложенное в него тесто.

Среди нагнетателей непрерывного действия распространены шнековый, валковый и шестеренный.

Схемы нагнетателей представлены на рис.5.

Рис. 5 Схемы шнекового и валкового нагнетателей

Выбор типа нагнетателя зависит как от свойств перерабатываемой массы, так и от технологических требований к ее обработке. Приведем общие рекомендации по выбору типа нагнетателя. Поршневые и валковые нагнетатели оказывают щадящее воздействие на перерабатываемый продукт, поэтому их целесообразно использовать для формования масс нежной консистенции. Использование поршневого нагнетателя нецелесообразно при включении экструдера в поточную линию, так как этот нагнетатель периодического действия. Валковые нагнетатели лучше всего применять в машинах без матрицы как каландры (каландрование рассматривается как частный случай экструзии), например в тех случаях, когда необходимо получить полуфабрикат в виде ленты, например для формования сухарных плит, тонких листов теста. Толщина слоя ленты при безматричном формовании определяется расстоянием между формующими валками. Шестеренные нагнетатели целесообразно применять для формования однородных и гомогенных материалов. Их недостатком является пульсация создаваемого давления. Их нельзя использовать для формования масс с твердыми включениями, которые могут разрушаться и измельчаться. Одношкнековые нагнетатели хорошо работают в сочетании с круглой матрицей и являются перспективными для формующих машин в пищевых производствах. Нельзя, однако, считать удачным использование шнекового нагнетателя с прямоугольной матрицей, так как в этом случае невозможно обеспечить равномерность скорости выпрессовывания по ее длине.

Наибольшее распространение в промышленности получили шнековые экструдеры. Захватывая исходный продукт, шнек перемещает его от загрузочного устройства вдоль корпуса экструдера. При этом продукт сжимается, разогревается, пластифицируется и гомогенизируется. Давление в экструдере достигает 15... 100 МПа. По частоте вращения шнека экструдеры подразделяют на нормальные и быстроходные с окружной скоростью соответственно до 0,5 и 7 м/мин, а по конструктивному исполнению -- на стационарные и с вращающимся корпусом, с горизонтальным и вертикальным расположением шнека.

Существуют экструдеры со шнеками, осуществляющими не только вращательное, но и возвратно-поступательное движение. Для эффективной гомогенизации продукта на шнеках устанавливают дополнительные устройства -- зубья, шлицы, диски, кулачки и др. В последнее время получают распространение планетарно-вальцовые экструдеры, у которых вокруг центрального рабочего органа (шпинделя) вращается несколько дополнительных шнеков (от 4 до 12). Принцип действия дискового экструдера основан на использовании возникающих в упруговязком материале напряжений, нормальных к сдвиговым. Основу конструкций такого экструдера составляют два плоскопараллельных диска, один из которых вращается, создавая сдвиговые и нормальные напряжения, а другой неподвижен. В центре неподвижного диска имеется отверстие, через которое выдавливается размеченный материал. Поршневой экструдер из-за низкой производительности используют ограниченно, в основном для изготовления труб и профилей из реактопластов. Конструкции экструдеров могут быть классифицированы также по геометрической форме, механическим, функциональным или термодинамическим характеристикам. Кроме того, экструдеры рекомендуется классифицировать по их физическим признакам, поскольку они оказывают влияние на химические структурные характеристики экструдированных продуктов. Особое значение имеют такие параметры, как уклон режущей кромки матрицы и количество тепловой энергии, образующейся в процессе экструдирования за счет механического преобразования энергии; температура во время ведения процесса; влажность экструдируемой массы.

При переработке пищевых продуктов наибольшее распространение получили экструдеры со шнеками полного зацепления, вращающимися в одном направлении, когда вершины одного шнека взаимодействуют с впадинами другого.

В двухшнековых самоочищающихся экструдерах обеспечиваются более быстрый пуск шнека и работа на повышенной скорости. В них реже возникают подъемы давления, так как не происходит накопление продукта. В одношнековых экструдерах, вследствие того, что продукт может оставаться в витках и накапливаться, создавая разрывы потока, подъемы давления бывают чаще. В результате продукт из экструдера выпускается неравномерно.Однако предполагается, что в одношнековом экструдере износ шнека концентрируется по наружной кромке к торцу его витков, и это обеспечивает восстановление шнека.

Двухшнековый экструдер более подвержен износу. Изнашиваются шнеки в местах загрузки и выгрузки продукта. В этой связи свойства конечного продукта и эффективность процесса экструдирования в большой степени зависят от износа рабочих органов машины при обработке в двухшнековом экструдере. При использовании двухшнекового экструдера не требуется предварительной гидротермической обработки продукта, что упрощает производственный процесс. Гидролиз крахмала пшеничной муки протекает гораздо эффективнее в двухшнековом экструдере, чем в одношнековом. В двухшнековом экструдере зоны пластификации и повышения давления отделены друг от друга, что позволяет независимо осуществлять пластификацию и экструдирование продукта. Известно, что затраты, связанные с приобретением одношнековых экструдеров, ниже по сравнению с затратами на приобретение двухшнековых машин. Однако последние компенсируются меньшими эксплуатационными расходами. Высокие расходы по эксплуатации одношнековых машин связаны с длительными простоями при чистке, большими трудозатратами и объемом работ по обслуживанию. Сравнение конструктивных и технологических достоинств одношнековых и двухшнековых экструдеров показывает значительное преимущество последних.

Материал для матриц должен быть коррозионно-стойким, обладать антиадгезионными свойствами и высокой прочностью. Чтобы снизить прилипаемость формуемого продукта, отверстия полируют и хромируют. Широко применяют в настоящее время матрицы, состоящие из металлической обоймы и сменных вставок. Вставки представляют собой сменные гильзы с формующими отверстиями, изготовляются из пластмасс с сильно выраженными антиадгезионными свойствами. Форма и размер предматричной камеры зависят от свойств перерабатываемого продукта, типа и размеров нагнетающего механизма и должны способствовать выходу выпрессовываемой массы через каналы матрицы с возможно более равномерной скоростью, а также препятствовать образованию застойных зон. Формование экструзией имеет ряд преимуществ: непрерывность осуществления процесса с высокой скоростью, безотходность технологии и высокая культура производства.

6. Типы экструдеров и их технические достоинства

Основным отличительным признаком пищевых экструдеров, определяющим как конструкционные отличия, технологические возможности, так в значительной степени влияющим на стоимость данного оборудования является количество параллельных шнеков внутри рабочей зоны экструдера. Наибольшее распространение получили одношнековые и двушнековые экструдеры. Для реализации конкретной технологии экструдер должен обладать соответствующим комплексом определенных особенностей, главные из которых - это количество шнеков, относительная (в диаметрах шнека) длина шнека (экструзионной зоны), диапазон управления частотой вращения шнеков, управление температурой экструзионной зоны, управление подачей сырья (производительностью) в зону экструзии, управление режущим устройством, управление подачей питьевой воды в зону экструзии.

Конструкции экструдеров

6.1 Экструдер РЗ-КЭД-88

Рис. 6. Экструдер РЗ-КЭД-88

1 - корпус, 2 - бункер, 3 - распределительная коробка, 4 - электродвигатель привода ворошителя, 5 - электродвигатель привода пресса, 6 - цилиндр со шнеком, 7 - станина.

Применяется при производстве готовых к употреблению фигурных крупяных изделий, сухих завтраков; может быть использован для получения пищевых концентратов быстрого приготовления. Экструдер (рис.6) состоит из привода, станины 7, дозатора, оборудования для дозированной подачи воды, двухшнекового пресса, нагревателя, гранулятора, транспортера, шкафа управления процессом и электроприводами, оборудования для смазки.

Двухшнековый пресс состоит из корпуса 1 с каналами для охлаждения водой, двух шлицевых валов с набором из шнековых элементов, сменных матриц с фильерами. Привод пресса осуществляется от электродвигателя 5 постоянного тока через редуктор и распределительную коробку 3 и обеспечивает вращения валов в одну сторону. Конструкция пресса обеспечивает быструю разборку корпуса. Блокировка исключает работу экструдера при открытом корпусе и повышенном давлении.

Дозатор состоит из загрузочного бункера с ворошителем и двухшнекового регулируемого дозирующего устройства. Привод ворошителя осуществляется от электродвигателя 4 постоянного тока через редуктор и распределительную коробку, обеспечивающую вращение шнеков в одну сторону.

Бункер 2 дозатора снабжен смотровым окном для контроля наличия сырья, предохранительной решеткой и датчиком уровня с контактным выходом для использования в схеме управления устройством загрузки бункера.

Гранулятор имеет блокировку, исключающую работу ножа при открытом кожухе. Конструкция его обеспечивает быстрое снятие ножей, пристыковку лезвий в поверхности матрицы и точное регулирование положения ножа. Конструкция кожуха гранулятора предусматривает наблюдение за работой ножа и свободное испарение влаги.

Оборудование для дозированной подачи воды обуславливает непрерывную дозированную подачу питьевой воды с регулируемым расходом. Подвод воды к двухшнековому прессу производится через гидроразъем.

На транспортере предусмотрена возможность регулирования угла его наклона.

Шкаф управления процессом и электроприводами включает элементы дистанционного контроля и управления с необходимыми защитами и блокировками и размещается, как и все узлы и системы экструдера, в станине.

При работе экструдера обеспечивается дистанционное управление и регулирование частоты вращения электродвигателей пресса и ножа, температуры в зоне нагрева.

Экструдеру придается аппаратура, контролирующая частоту вращения двигателя пресса, нагрузку двигателя пресса, давление в корпусе пресса, температуру в зоне нагрева и охлаждения, время наработки. В экструдере предусмотрено ручное аварийное отключение кнопки аварийной остановки.

Сыпучая зерновая смесь подается в зону загрузки. По мере продвижения шнековыми валами сырье подвергается интенсивному перемешиванию, измельчению и гидротермической обработке при повышенном давлении. При выходе из отверстий матрицы происходит резкий сброс давления, в результате чего продукт увеличивается в объеме. Вращающимся ножом гранулятора выходящий из отверстий матрицы продукт нарезается. Длину изделий можно изменять, регулирую частоту вращения ножа. Продукт направляют на дальнейшую технологическую обработку в зависимости от назначения.

Табл. 1. Краткая техническая характеристика экструдеров

Показатели	Производительность, кг/ч	Мощность привода	Число шнеков	Частота вращения шнеков, мин	Диаметр шнеков, мм	Мах температура в зоне нагрева, С	Мах допустимое давление,МПа	Масса, кг	Длина, Ширина, высоты, мм
А1-КХП	75	21	1	71	155	145	10	1300	1750 890 1635
РЗ-КЭД-88	100-200	60	2	270	88	300	20	3500	4600 1150 2250
Б8-КХ-ЗП	90	18,5	1	79,3	74	160...180	12	950	1200 1200 1900

6.2 Экструдер А1-КХП

Предназначена для формования палочек из кукурузной крупы тепловой и механической обработкой (рис. 7).

Машина состоит из станины 1, бункера 7, корпуса подшипника 9, цилиндра 3, механизма резки 4, вариатора, щита управления с нагревателями. Машина имеет два индивидуальных привода: для шнека и механизма резки.

Рис. 7. Машина А1-КХП

1 - станина, 2 - рукоятка, 3 - цилиндр, 4 - механизм нарезки, 5 - пробка, 6 - блок электронагревателей, 7 - бункер, 8 - электродвигатель привода шнека, 9 - корпус пошипника, 10 - редуктор.

На верхней плите сварной станины установлен электродвигатель 8 привода шнека, соединенный через муфту с быстроходным валом редуктора 10. Последний, в свою очередь, с помощью муфты соединяется с валом корпуса подшипника. В литом корпусе подшипника установлен вал, вращающийся в радиальных подшипниках качения. Для восприятия осевой нагрузки от формующего шнека в корпусе установлен упорный шарикоподшипник.

К корпусу подшипника фланцем крепится сварной цилиндр с расположенным внутри него шнеком. С противоположной стороны цилиндр закрыт матрицей. Температура в рабочей зоне контролируется термопарами, введенными в зону через пробку 5. Для нагрева кукурузной массы в передней части цилиндра укреплен блок электронагревателей 6.

У переднего торца матрицы расположен механизм резки с вращающимися ножами, который приводится в движение от отдельного электродвигателя через бесступенчатый вариатор. Электродвигатель и вариатор находятся внутри станины. Частота вращения вариатора регулируется рукояткой 2, установленной в непосредственной близости от панели управления. Для удобства обслуживания механизм резки отводится в сторону.

Над цилиндром установлен бункер для приема кукурузной крупы. Кукурузная крупа из бункера машины через регулируемую заслонку поступает в приемное отверстие цилиндра, где происходит прессование продукта и нагрев до температуры 145 °С.

В результате воздействия тепла, влаги и давления крупа превращается в пластическую массу, которая выдавливается шнеком через отверстия матрицы. При выходе из отверстий матрицы масса под действием пара, образующегося из перегретой влаги, вспучивается, образуя пористую хрустящую жилу. Механизм резки делит выходящие жилы на палочки, которые уносятся конвейером.

Порция крупы (1,5.. .2,0 кг при температуре в цилиндре 80... 145 °С) приготовляется за 30...60 мин до пуска машины.

Режим нагрева цилиндра подбирается для каждой машины индивидуально в зависимости от сорта, помола, влажности крупы и степени износа.

Техническая характеристика экструдера А1-КХП приведена в табл.1

6.3 Экструдер Б8-КХ-ЗП

Предназначена для производства палочек из кукурузной крупы посредством ее тепловой и механической обработки с последующей фасовкой на других автоматах.

Машина состоит из станины, формующего механизма, механизма отрезки палочек по длине, ворошителя кукурузной крупы, блока электронагревателей.

Формующий механизм состоит из охватываемого шнека с правой нарезкой, шнековой втулки с левой нарезкой, матрицы с двенадцатью отверстиями диаметром 3 мм, обоймы с четырьмя отрезными ножами, приводимой во вращение через цепную и клиноременную передачи от электродвигателя.

Ворошитель представляет собой корпус, внутри которого вращается вал с лопастями, перемешивающий поступающую из бункера крупу.

Блок электронагревателей предназначен для нагрева рабочей зоны машины в период пуска и автоматического поддержания постоянной температуры от 160 до 180°С. Во избежание перегрева машины в зоне загрузки предусматривается принудительное водяное циркуляционное охлаждение корпуса формующего механизма с подключением к сети водоснабжения.

Схемой машины предусмотрено ручное управление электроприводами шнека и ножа, а также ручное и автоматическое управление блоком нагревателей.

Перед пуском машины производится нагрев рабочей зоны формующего механизма в течение 30...35 мин до 160... 180 °С с помощью блока электронагревателей. За 25.. .30 мин до пуска машины готовится первая порция крупы влажностью 20.. .21 %. Подготовленная крупа по специальному лотку вручную засыпается небольшим потоком в отверстие зоны загрузки при включенной машине. После выхода палочек из формующей матрицы открывается заслонка, и в машину поступает крупа влажностью 13... 14 %.Нагрев продукта в момент запуска происходит за счет теплопередачи, а в дальнейшем -- за счет тепла, образующегося в результате трения между продуктом, шнеком и шнековой втулкой. Выпрессованная полужидкая масса за счет перепада давления при выходе из отверстия формующей матрицы взрывается с диаметра 3 мм до диаметра 8... 12 мм.

6.4 Экструдер МФБ-1

Предназначена для производства палочек из кукурузной крупы посредством её тепловой и механической обработки с последующей фасовкой на других автоматах.

Состоит из плиты, станины с кронштейном, электродвигателя, червячного редуктора, корпуса со шнеком и формующей матрицей, головки с парой конических шестерен и загрузочной воронки со спиралью.

Внутри головки находятся горизонтальный вал с конической шестерней и приводной звездочкой, вертикальный вал с конической шестерней и спиралью. Спираль подает конфетную массу в корпус и непрерывно перемешивает ее в загрузочной воронке. Шнек выпрессовывает массу через формующие каналы матрицы в виде пяти бесконечных жгутов, которые после предварительного охлаждения разрезаются на конфеты.

Техническая характеристика экструдера МФБ-1 приведена в табл.2.

6.5 Двухшнековый экструдер поточных линий ШФК

Отличается от экструдера МФБ-1 наличием двух горизонтальных шнеков, находящихся в самостоятельных камерах. Шнеки нагнетают массу в общую предматричную камеру. Масса выходит через шесть или восемь формующих каналов. Частота вращения спирали в загрузочной воронке изменяется бесступенчатой рукояткой. Нагнетающие шнеки имеют постоянную частоту вращения. При переходе с формования жгутов круглого сечения на прямоугольные шнеки заменяют. В шнековых экструдерах скорости выхода жгутов через формующие каналы неодинаковы. Для выравнивания скоростей увеличивают длину средних формующих каналов по сравнению с крайними, устанавливают дополнительные сопротивления перед средними каналами или в самих каналах либо устанавливают более высокую температуру стенок крайних формующих каналов. Добиться полного равенства скоростей во всех каналах весьма трудно.

Техническая характеристика экструдера приведена в табл.2.

6.6 Экструдер ШВФ-22

Предназначен для выдавливания конфетной массы при производстве пралиновых конфет (рис. 11).

Он имеет в предматричной камере перегородки, образующие секции у каждого выходного отверстия. Это выравнивает скорости у выдавливаемых жгутов. Бункер 1 укреплен на корпусе питателя 2 с расположенными в нем рифлеными валками 3. В корпусе нагнетателя 4 вращаются нагнетающие шестеренные роторы 5, выполненные из набора шестерен. Предматричная камера 7 имеет вертикальные формующие каналы 8. В нижней части корпуса нагнетателя и предматричной камеры имеются вертикальные перегородки 6, которые делят корпус и камеру на отдельные секции.

Бункер, корпус нагнетателя и нагнетатель, а также предматричная камера имеют рубашки для обогрева.

Конфетная масса вытягивается из бункера рифлеными валками 3 и равномерно подается по всей длине шестеренных роторов 5. Они нагнетают массу в предматричную камеру 7 и из нее через формующие каналы 8 выдавливаются жгуты 9 пралиновой массы. Техническая характеристика экструдера ШВФ-22 приведена в табл.2.



Рис. 11. Экструдер ШВФ-22

Табл. 2. Краткая техническая характеристика экструдеров.

Показатели	Производительность, кг/ч	Число отверстий в матрице	Потребная мощность, кВт	Масса, кг	Длина, Ширина, высоты, мм
МФБ-1	325	5	1,7	410	1250 845 1640
ШФК	150..310	6	2,8	955	1365 775 2100
ШВФ-22	1000	22	2,8	1220	1000 1160 2980

Экструдеры ШТАК.

6.7 Экструдер ШТАК-80М

Штак 80-М - единственный одношнековый российский экструдер максимально приближенный по технологическим возможностям в двухшнековым машинам, позволяющий получать качественный продукт сложных экструзионных технологий. Две зоны охлаждения корпуса, возможность подачи питьевой воды внутрь экструзионной зоны позволяют точно поддерживать технологический режимы и добиваться отличного качества продукта, а при производстве кукурузной палочки и пищевых отрубей вообще отказаться от предварительного увлажнения смеси. Эти машины отличаются хорошей управляемостью, удобством обслуживания. В штатном режиме ШТАК-80М обслуживает один оператор.

В 2007 году 27 машин работает на предприятиях России, Украины, Беларуси, Казахстана, Молдавии, Латвии, Эстонии по производству соевого текстурата, подушечек и батончиков с начинкой, хлебцев, кормов для животных, пищевых отрубей. Увеличен ресурс быстро изнашивающихся частей (шнеки, рабочий корпус) по сравнению с другими одношнековыми экструдерами более чем в 2.5 раза. Выход на технологический режим - 5 минут.

Простая и надежная конструкция опорного узла с применением самоустанавливающихся импортных подшипников позволяет обеспечить его работу без ремонта более 10 000 часов.

Минимальное отношение стоимости к производительности позволяет выделить ШТАК-80М, как лидера среди одношнековых экструдеров по технико-экономическим показателям.

Износостойкость шнеков (на выходе продукта) 2000 часов, корпуса 4000 часов при работе на муке.

Современная модификация обладает улучшенными характеристиками загрузочной зоны, что позволяет эффективно применять ШТАК-80М при производстве быстрозавариваемых каш, набухающей муки, основы для клея, крахмалосодержащего реагента, модифицированного крахмала, строительных крахмалосодержащих смесей.

Табл.3. Технические характеристики экструдера ШТАК-80М

Диаметр шнека, мм	80
Относительная длина экструзионной зоны, мм	15
Мощность главного привода, кВт	45
Количество зон охлаждения	2
Установленная мощность, кВт	48 (мах)
Производительность на штатной матрице (100% провар), кг/час	220
Рабочее давление перед матрицей, МПа (кг/см2)	10-15 (100-150)
Расход воды на охлаждение при штатной работе, л/час	60-80
Длина, мм	3200
Ширина, мм	650
Высота, мм	3000
Вес экструдера, кг	1500

6.8 Экструдер одношнековый ШТАК-180

Экструдер ШТАК-180 предназначен для переработки (100% провар) способом варочной экструзии различных видов крахмалосодержащего сырья для получения готовых пищевых продуктов или полуфабрикатов. Внешний вид продуктов определяется видом формующей матрицы. Типичные виды выпускаемой продукции: хлебопекарные улучшители (набухающая мука), модифицированный крахмал, корма для животных и т.д. Экструдер предназначен для эксплуатации в помещениях категории В при температуре от 15 до 25С и относительной влажности не выше 75%. Четыре зоны охлаждения корпусов, возможность подачи питьевой воды внутрь экструзионной зоны позволяют точно поддерживать технологические режимы и добиваться отличного качества продукта. А при производстве кукурузной палочки и пищевых отрубей, а также не формованного экструдата из любого типа муки/крупы, вообще отказаться от предварительного увлажнения смеси. Эти машины отличаются хорошей управляемостью, простотой сборки и разборки, высокой ремонтопригодностью, удобством обслуживания. В штатном режиме ШТАК-180 обслуживает один оператор. Простая и надежная конструкция опорного узла с применением самоустанавливающихся импортных подшипников позволяет обеспечить его работу без ремонта более 10 000 часов. Ресурс износа шнеков (на выходе продукта) 2000 часов, корпуса 4000 часов при работе на муке.

Табл.4. Технические характеристики экструдера ШТАК-180

Диаметр шнека, мм	180
Относительная длина экструзионной зоны, мм	10
Мощность главного привода, кВт	250-315
Установленная мощность, кВт	270-335
Количество зон охлаждения	4
Скорость вращения шнека, об/мин	150-170
Производительность на штатной матрице (100% провар), кг/час	1500
Рабочее давление перед матрицей, МПа (кг/см2)	250
Длина, мм	5000
Ширина, мм	1280
Высота, мм	3000
Вес экструдера, кг	6000
Степень защиты оболочек электроагрегатов экструдера	Ip54

7. Инженерные расчеты

Расходно-напорная характеристика формующей части(головки) Пф (м3/с)

,

где kф-- коэффициент геометрии формующего органа (матрицы); -- динамическая вязкость продукта, Па*с; р-- перепад давления, создаваемый экструдером, Па. Для кольцевого отверстия kф (м3) (рис.10, а)

,

где D -- средний диаметр кольцевого отверстия, D = 2R-h; h -- ширина кольцевого зазора h = R-r; R, г -- радиусы сечений отверстий в матрице, м; L1 -- длина канала в матрице, м.

Для конического отверстия kф, м3 (рис.10, б)

.

Рис.14. Матрица с кольцевым (а) и коническим (б) отверстиями

Для суживающегося или расширяющегося мелкого (щелевого) канала kф (м3)

,

где В -- ширина канала, м; -- угол наклона стенки к осевой плоскости, град; h1 , h2-- высота крайних сечений, м.

Для канала произвольного постоянного по длине сечения (рис.15)

,

где F--площадь сечения, м2; L -- длина канала, м; Р--периметр сечения, м,

,

где В и Н-- соответственно максимальный и минимальный размер сечения, м; f-- характеристика потока, зависящая от формы и размеров сечения; L--длина канала, м.



Рис.15. графики для определения характеристики потока f каналов с различным поперечным сечением:

1 - прямоугольная, 2 - корытообразная, 3 - овальная, 4 - эллиптическая

пищевой среда биополимер экструзия

Скорость продукта вдоль винтового канала vz (м/с)

,

где р -- перепад давления, создаваемый экструдером, Па; R, r -- радиусы сечений отверстий в матрице, м; -- динамическая вязкость продукта, Па.с; L2 -- длина шнекового канала, м.

Расходно-напорная характеристика нагнетающей части ПН (м /с)

,

где кн1 и кн2 -- коэффициенты геометрии шнекового нагнетателя, м3,

,

,

где L2 -- длина шнекового канала, м;

,

здесь В -- ширина шнекового канала, м.

Перепад давления, создаваемый экструдером, р (Па)

.

Производительность экструдера Qэ (м3 /с)

.

Сравнительный анализ одно- и двухшнековых пищевых экструдеров.

Одно- и двухшнековые пищевые экструдеры до недавнего времени существенно отличались по технико-технологическим параметрам и, соответственно, по качеству получаемого продукта, управляемости, удобству обслуживания и ремонта.

Одношнековые экструдеры, особенно с короткой зоной экструзии (отношение длины шнека к его диаметру 3-6), используются в основном для производства кормов, простейших пищевых продуктов типа кукурузной палочки. Особенностью технологического процесса является увлажнение сырьевой смеси до поступления её в дозатор экструдера и необходимость точного предварительного контроля влажности смеси, так как этот параметр значительно влияет на процесс экструдирования и качество конечного продукта. В тоже время, неравномерный выход из одного шнека отрицательно влияет на размеры и форму продукта, поэтому от оператора требуется постоянный контроль качества выходящего экструдата и подбор технологических параметров под каждый тип сырья. Так же, нерегулируемая частота вращения шнека оставляет возможность влиять на качество продукта только изменением рецептуры и влажностью, что снижает оперативность и увеличивает время на обработку технологического процесса. Однако, низкая цена одношнековых экструдеров и простота конструкции, высокая ремонтопригодность собственными силами, возможность привлечения персонала с невысокой квалификацией стали причинами широкого распространения подобных машин в малом бизнесе.

Двухшнековые экструдеры обладают уникальными возможностями при производстве самых разных продуктов. Эти машины позволяют, за счет хорошего перемешивания двумя шнеками, осуществлять непрерывную регулируемую подачу жидких компонентов в соответствии с рецептурой непосредственно внутрь рабочих корпусов. Поэтому исключается необходимость предварительного контроля влажности смеси, становится возможно более тонко регулировать технологический процесс и влиять на качество получаемого экструдата. А в комплексе с автоматическим поддержанием температуры нагрева рабочих корпусов во время работы и применением частотных преобразователей на главном приводе и дозаторе сухой смеси двухшнековые экструдеры практически являются автономно работающими после установки технологических параметров. На практике оператор экструдера успевает обслуживать и участок подготовки сухой смеси. Для ремонта и технического обслуживания необходима высокая квалификация слесаря-механика и слесаря КИП. Практически любой вид продукта (как экспандированный, так и холодноэкструдированный) возможно выпускать на двухшнековых экструдерах. Причем, переход с одной технологии на другую требует минимальных переналадок (изменение набора шнеков зоны экструзии). Для одношнековых экструдеров это достаточно не простая комплексная задача.

8. Основные узлы экструдера

Основным оборудованием экструзионного процесса является червячный пресс или экструдер, оснащенный формующей головкой, в котором происходит непрерывная пластификация и гомогенизация полимера, получение однородного расплава и его выдавливание через формующую головку в виде профиля изделия.

8.1 Червяк

Служит для транспортировки, перемешивания и подачи расплава под определенным давлением в формующую головку. Основными геометрическими параметрами червяков являются диаметр, длина, зонность, глубина канала по зонам, шаг и направление винтовой линии, а также коэффициент сжатия, показывающий отношение объема одного витка винтового канала в зоне загрузки к объему одного витка в зоне дозирования.

Для переработки термопластов обычно применяются цилиндрические червяки с постоянным шагом и переменной глубиной винтового канала. Они сравнительно просты в изготовлении и обеспечивают высокую производительность. Чем больше диаметр червяка, тем выше производительность экструдера. Длина червяков L характеризуется её отношением к диаметру D. Это соотношение может изменяться в интервале 8-35. Зонирование червяков, т.е. изменение глубины канала по длине на отрезки, зоны зависит от физико-химических свойств термопластов. Существует три группы червяков для переработки термопластов:

- с высоким содержанием кристаллической фазы (полиолефины, полиамиды);

- частично-кристаллизующиеся, аморфные полимеры (полистирол, ПЭНП);

- аморфные полимеры с низкой термостабильностью (поливинилхлорид).

Для переработки полимерных материалов, склонных к деструкции (ПВХ, ПФ, ацетилцеллюлозные этролы и др.), успешно применяются так называемые двухстадийные экструдеры. У червяков подобных экструдеров вслед за зонами загрузки и сжатия следует зона следует зона дегазации глубина нарезки которой существенно увеличена. Для предотвращения переполнения зоны дегазации расплавом перед ней на червяке предусматривают небольшую локальную зону с обратной резьбой, создающую сопротивление прямому потоку.

8.2 Цилиндр

Цилиндр подвергается следующим воздействиям: неравномерному по длине нагреву; переменному давлению расплава полимерного материала, значение которого может изменяться от долей МПа, до 60-80 МПа; резким температурным колебаниям вследствие цикличности нагрева-охлаждения при терморегулировании. На рабочую поверхность цилиндра оказывают воздействие термохимические процессы, сопровождающие пластикацию полимера, его истирают абразивные частицы, входящие в состав перерабатываемого материала. Все это обуславливает применение как монолитных, неразъемных цилиндров, так и секционных конструкций, состоящих их отдельных частей, объединяемых фланцевыми соединениями. Кроме того, нередко в цилиндрах применяют запрессованные гильзы, изготовленные из высоколегированных хром-, никельсодержащих сталей. Загрузочная часть секционного цилиндра имеет каналы или рубашку для охлаждения.

8.3 Питатели

Служат для равномерной подачи полимерного материала в цилиндр экструдера, что способствует равномерности выдавливания расплава из формующей головки. Многие полимерные порошкообразные материалы обладают способностью к образованию сводов над загрузочным отверстием цилиндра, что является одной из причин пульсации при подаче. Для предотвращения сводообразования используют простейшие ворошители, устанавливаемые непосредственно в бункере.

Привод экструдера должен обеспечивать плавное регулирование частоты вращения червяка и стабильность выбранного скоростного режима. Чаще других применяют электромеханические приводы, состоящие из электродвигателя и механической редуцирующей передачи. Для регулирования скорости вращения используют электродвигатели постоянного или переменного тока.

9. Список литературы

1. Антипов С.Т., Кретов И.Т., Остриков А.Н., Панфилов В.А., Ураков О.А. «Машины и аппараты пищевых производств», 2001 год, Москва, книга 1

2. Богатырева А.Н., Юрьева В.П. «Термопластическая экструзия» 1996 г. Москва

3. Остриков А.Н. , Магомедов Г.О., Дерканосова Н.М., Василенко В.Н., Абрамов О.В., Платов К.В «Технология экструзионных продуктов», 2007 г., Санкт-Петербург

4. Кретов И.Т., Кравченко В.М., Остриков А.Н., «Технологическое оборудование предприятий пищеконцентратной промышленности», Воронеж, Воронежский Университет, 1996

Размещено на Allbest.ru