Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние теории, техники и технологии производства продуктов питания на двухшнековом экструдере 13
1.1. Основы теории и краткий обзор двухшнековых экструдеров... 13
1.2. Технологии получения экструдированных продуктов питания 30
1.3. Выбор компонентов модельной зерновой смеси 37
1.4. Анализ существующих математических моделей процессов, происходящих в двухшнековых экструдеров 43
1.5. Анализ литературного обзора и задачи исследования 48
Глава 2. Теоретические и экспериментальные исследования процесса экструзии зерновой смеси в двухшнековом экструдере 52
2.1. Обоснование выбора рецептурных компонентов 52
2.2. Исследование зерновой смеси методами термического анализа 56
2.3. Экспериментальная установка 60
2.4. Методика проведения эксперимента 66
2.5. Влияние гранулометрического состава зерновой смеси на характер протекания процесса экструзии 68
2.6. Исследование реологических характеристик расплава зерновой смеси в предматричной зоне двухшнекового экструдера 71
2.7. Кинетика процесса экструзии 76
Глава 3. Математическая модель движения аномально вязкой жидкости в предматричной зоне двухшнекового экструдера 84
3.1. Теоретические основы моделирования движения вязкой жидкости 84
3.2. Обоснование метода решения задач течения реологических жидкостей 88
3.3. Трехмерная модель движения жидкости в предматричной зоне двухшнекового экструдера 94
3.4. Двухмерная модель движения жидкости в зазоре, ограниченном стенками матрицы и вращающимися конусами шнеков экструдера 100
3.5. Результаты расчета математического моделирования 104
3.5.1. Трехмерная модель 105
3.5.2. Двухмерная модель 108
3.6. Анализ математической модели 117
Глава 4. Комплексная оценка качества экструдированных продуктов 123
4.1. Исследование качественных показателей экструдированных палочек 123
4.1.1. Методы исследования физико-химических свойств образцов.. 123
4.1.2. Анализ качественных показателей экструдированных палочек 125
4.2. Определение микробиологических показателей экструдата... 127
4.3. Анализ пищевой ценности разработанного экструдированного продукта 128
Глава 5. Разработка конструкций экструдеров 130
5.1. Методика инженерного расчета двухшнекового экструдера... 130
5.2. Двухшнековый экструдер 137
5.3. Разработка конструкции формующего устройства экструдера 143
5.4. Расчет ожидаемого экономического эффекта от использования двухшнекового экструдера 148
Основные выводы и результаты 150
Литература 152
Приложение 164
- Анализ существующих математических моделей процессов, происходящих в двухшнековых экструдеров
- Влияние гранулометрического состава зерновой смеси на характер протекания процесса экструзии
- Трехмерная модель движения жидкости в предматричной зоне двухшнекового экструдера
- Анализ качественных показателей экструдированных палочек
Введение к работе
Основным направлением развития пищевой промышленности в последнее время является создание сбалансированных пищевых продуктов питания повышенной пищевой и биологической ценности. Этому требованию удовлетворяет в полной мере один из наиболее эффективных способов переработки пищевого сырья растительного и животного происхождения - термопластическая экструзия. Она позволяет осуществлять комплексную переработку исходного сырья в одном виде оборудовании с приданием ему новых свойств в результате комплексного воздействия температурного поля и сдвиговых усилий от рабочих органов экструдера.
Экструзия - идеальный технологический процесс для обогащения продуктов белками, волокнами, витаминами и другими веществами. Возможность регулирования состава продуктов в сторону увеличения содержания белков, витаминов или минеральных веществ, играет важную роль в профилактике многих заболеваний человека [51, 85, 95].
Значительный вклад в развитие теории экструзии внесли такие зарубежные и отечественные ученые как: J.F. Carley, Ch.I. Chung, Е. Colonna, Е.С. Bernhardt, P. Linko, B.H. Maddock, R.S. Mallouk, LP. Melcion, J.M. McKelvey, С Mercier, G. Shenkel, W. Seibel, K. Seiler, R.A. Strub, Z. Tadmor, M. Williams, C.H. Jepson, A.H. Богатырев, И.Э. Груздев, А.И. Жушман, В.Г. Карпов, Л.П. Ковальская, Е.К. Коптелова, Г.М. Медведев, А.Н. Остриков, В.П. Первадчук, В.А. Силин, Р.В. Торнер, И.Б. Хейфец, Н.П. Черняев, В.П. Юрьев, В.И. Янков и др.
Основным направлением развития пищевой промышленности является интенсификация технологических процессов, изменяющих физико-химические свойства природных сырьевых материалов путем сложного комбинированного воздействия на них рабочими органами аппаратов [1,6,24,29,46, 70,107].
Обработка растительного сырья термопластической экструзией обеспечивает большой объем и разнообразие производимой продукции и высокий эконо-
мический эффект, обусловленный, прежде всего тем, что один экструдер может заменить целый комплекс машин и механизмов, необходимых для производства продуктов. Его использование позволяет сделать процесс непрерывным, легко контролируемым, универсальным по видам перерабатываемого сырья и готовых продуктов.
Основным компонентом сырья, используемого в различных экструзион-ных технологиях, является высокомолекулярный природный полимер - крахмал. Учитывая, что крахмала содержится в большом количестве в зерновых и продуктах их переработки (48...71 %), в меньшей степени в зернобобовых и продуктах их переработки (35...42 %), а также тот факт, что данные продукта широко распространены в РФ, можно говорить о наличии широкой продовольственной базы, на основе которой возможно создание новых продуктов различной комбинации сырья, в том числе не пользующегося высоким спросом. Например, используя различные виды дробленой крупы или побочные продукты крупяного и мукомольного производств, получать новые продукты с уникальными наборами свойств, формы и структуры. Они могут применяться, как для пищевых (сухие зерновые завтраки, продукты детского лечебного и профилактического питания, в т.ч. с заданной пищевой и биологической ценностью, набухающие крахмалопродукты, модифицированные крахмалы и др.), так и для технических (модифицированные крахмалы, биологически разрушаемые полимеры и др.) целей. Это связано с тем, что при переработке исходного сырья, оно претерпевает существенные физико-химические изменения, при этом качество улучшается.
Основной технологической машиной в производстве экструдированных изделий является экструдер (дисковый, поршневой, шнековый и т.д.), конструктивное оформление которого может быть самым разнообразным [5, 16, 44, 77, 81,97].
На смену широко распространенных одношнековых приходят двухшнеко-вые экструдеры, имеющие перед одношнековыми машинами ряд преимуществ: в
них реже возникают подъемы давления, так как не происходит накопления продукта; производительность определяется только геометрическими и кинематическими параметрами шнеков, и практически не зависит от размеров формующего инструмента, так как утечки через зазоры зацепляющихся шнеков малы. К преимуществам машин этого класса можно отнести: самоочищение шнеков, что предотвращает налипание ингредиентов на поверхность рабочих органов экс-трудера; принудительное нагнетательное действие, которое обеспечивает переработку более широкого диапазона материалов с влажностью до 90 %; эффективное смешивание, что дает возможность ввода жидких компонентов непосредственно в рабочую камеру; быстроту переналадки производства с одного вида продукции на другой; значительно лучший контроль процесса и самое главное улучшить качество готово продукта [70]. Основным же достоинством двухшнековых экструдеров является получение продуктов питания более высокого качества по сравнению с одношнековыми. К существенным недостаткам можно отнести значительный износ рабочих органов, относительно высокую стоимость и большее потребление энергии на 20...50 % из-за сложности конструкции по сравнению с одношнековыми машинами [23].
Двухшнековые экструдеры выпускают российские и зарубежные фирмы ООО «Арсенал», 000 «Апрель», «ОМТ-Инжинеринг», «Тронка-Агротех», «APV Baker», «Baker Perkins», «Brabenden>, «Buhlen>, «Clextral», «Cincinnati», «Simon Food Engineering», «Werner & Pfleideren>, «Wenger» и другие.
В процессе развития экструзионной технологии первоначально наибольшее распространение получила холодная экструзия, при которой происходит только придание продукта новой формы без изменения структуры и свойств перерабатываемого продукта. Данный вид экструзии применяется в основном для производства макаронных изделий. Однако за последние 15 лет бурное развитие получили другие два вида экструзии: теплая и горячая.
При теплой экструзии температура перед матрицей составляет 60...120 С и влажность продукта 20...28 %. Данный вид экструзии предусматривает наряду
с механическим воздействием подвод тепла посредством внешних обогревателей. С ее помощью получают полуфабрикаты сухих завтраков, которые перед употреблением в пищу необходимо погрузить на 10...20 с в нагретое до 170... 190 С растительное масло. После чего продукт приобретает упругоэла-стичные свойства, а аккумулированная в результате тепловой обработки в экс-трудере влага превращается в пар, который при выходе из продукта способствует образованию его пористой структуры [6, 99, 109]. Широкое распространение теплая экструзия нашла также в комбикормовой промышленности при получении легкоусвояемых комбикормов [50].
При горячей экструзии температура перед матрицей больше 120 С и влажность продукта менее 20 %. С ее помощью получают готовые к употреблению продукты питания, которые не требуют дополнительной обработки. При этом возможно производство текстурированных продуктов на основе растительного и животного белка. В режиме горячей экструзии глобулярная структура белка переходит в фибриллярную, более усвояемую организмом человека и животных. В процессе горячей экструзии пищевое сырье подвергается фазовым превращениям из хрупкого стекловидного в высокоэластичное, а затем в вязко-текучее состояние.
Основными недостатками горячеэкструдированных продуктов являются большие площади для их хранения и значительные транспортные расходы. Именно поэтому все больше производят продуктов, полученных с помощью теплой экструзии. Полуфабрикаты представляют собой макаронные изделия или изделия разной формы, высушенные до влажности 8... 12 %. В таком виде они имеют способность к длительному хранению, большую плотность и прочность. По мере необходимости полуфабрикаты помещают в горячую среду (растительное масло, нагретое до 180... 190 С; воздух нагретый до 300 С. и т. д.) в течение 5...20 с, в результате чего образуются пористые продукты.
Доля продуктов полученных с помощью экструзионной технологии на рынке производства пищевых продуктов постоянно растет, что связано с рядом
достоинств перечисленных выше, которые позволяют успешно конкурировать экструдируемым продуктам с продуктами, полученными по традиционным технологиям.
Рынок готовых завтраков в России стал формироваться относительно недавно, в то время как за рубежом подобные продукты для многих давно являются частью повседневного рациона, говорить о высоком уровне их потребления в нашей стране не приходится. Менее 10 % жителей России относят себя к потребителям готовых завтраков. В Москве и Санкт-Петербурге этот показатель несколько выше, но эта разница незначительна. Однако стоит выделить постоянный и устойчивое увеличение объемов производства и высокий интерес зарубежных компаний к внутреннему рынку России в области производства готовых завтраков.
Сейчас основными потребителями экструдированных продуктов полученных с помощью теплой и горячей экструзии являются покупатели в возрасте 10... 15 лет, в несколько меньшей степени - 16...34 лет. По сведениям Ассоциации Производителей Снэков можно выделить факт, что, например, среди потребителей готовых завтраков в Санкт-Петербурге примерно две трети составляют женщины. Это, видимо, связано с тем, что ряд марок хлопьев и «Muesli» позиционируются как продукты, долго сохраняющие ощущение сытости при: относительно низкой калорийности, что в большей степени привлекает внимание женщин. Также прослеживается четкая зависимость потребления сухих завтраков от материального положения - в семьях с доходом выше среднего доля потребителей больше.
Приведенные данные позволяют утвердительно отметить, что экструзия является одним из наиболее перспективных направлений развития пищевой промышленности. Однако для дальнейшего роста производства и расширения ассортимента выпускаемой продукции следует принять ряд комплексных мер для дальнейшего успешного продвижения экструзионной техники и технологии. В первую очередь, для производства конкурентоспособной продукции необхо-
димо разрабатывать экструзионное оборудование, позволяющее перерабатывать различные виды исходного сырья в широких пределах как с помощью теплой, так и горячей экструзии. Во-вторых, пристальное внимание уделить разработке формующего оборудования, поскольку именно от него зависит качество и ассортимент готовой продукции.
Актуальность работы. Важным направлением совершенствования экстру-зионной технологии является создание зерновых продуктов с программируемыми свойствами и обоснование режимов экструзии с целью расширения ассортимента и снижения себестоимости выпускаемой продукции. Для повышения стабильности проведения процесса экструзии и повышения качества готовой продукции необходимо также проводить изучение гидродинамики движения расплава продукта в предматричной зоне двухшнекового экструдера. Поэтому разработка новых конструкций формующего узла экструдера и производство экс-трудированных зерновых продуктов сбалансированного состава являются актуальными задачами, имеющей важное теоретическое и прикладное значение.
Работа проводилась в соответствии с планом НИР кафедры процессов и аппаратов химических и пищевых производств (ПАХПП) ВГТА на 2001-2005 гг. «Исследование гидродинамики, тепло- и массообмена в системах: твердое тело -жидкость, твердое тело - газ при течении в каналах разной геометрической формы» (№ гос. регистрации 01.960.006217).
Цели и задачи диссертационной работы: Приведенные выше данные позволяют определить цели и задачи диссертационной работы. Целью диссертационной работы являлось изучение гидродинамики расплава продукта в предматричной зоне двухшнекового экструдера, на основании полученных данных разработка новых конструкций формующих узлов экструдера и обоснование параметров проведения процесса экструзии модельной зерновой смеси.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи: 1. Математическое моделирование процесса экструзии пищевой среды в предматричной зоне двухшнекового экструдера;
Исследование основных закономерностей процесса обработки зерновой смеси на двухшнековом экструдере и выбор его рациональных параметров;
Исследование реологических свойств модельной зерновой смеси и экс-трудированных палочек;
Разработка методики инженерного расчета двухшнекового экструдера;
Разработка новых конструкций экструдеров при переработки сырья растительного происхождения;
6. Разработка поликомпонентной смеси для производства продуктов пи
тания сбалансированного состава;
Определение формы связи влаги в материале и условий терморазложения экструдируемой смеси;
Определение биологической, энергетической и пищевой ценности экс-трудированных зерновых палочек;
Проведение промышленной апробации предлагаемого способа производства экструдированных зерновых продуктов функционального назначения.
Научная новизна. На основании проведенных исследований, обобщения и анализа разработан способ производства экструдированных амарантовых палочек.
Определены реологические показатели зерновой смеси на основе шрота амаранта, находящейся в виде расплава в предматричной зоне. Подтверждено, что расплавы зерновых продуктов подчиняются закону Оствальда-де-Виля.
Разработана математическая модель движения аномально вязкой жидкости в предматричной зоне двухшнекового экструдера. Определены поля скоростей и давления в рассматриваемой области и оптимизирована геометрия внутренней поверхности формующего узла для предотвращения возникновения застойных зон и повышения производительности. Используя результаты математического моделирования, разработаны новые конструкции формующих узлов экструдера, новизна которых подтверждается патентами РФ № 2185286, 2213659, 2241598, 2251485.
Изучено влияние влажности продукта, поля температур по длине рабочей камеры экструдера, частоты вращения шнека, длины канала матрицы и диаметр проходного отверстия матрицы смеси на кинетику исследуемого процесса, что позволило выявить научно обоснованные рекомендуемые области, в которых необходимо осуществлять экструдирования зерновой смеси при использовании двухшнековых экструдеров.
Стабильность работы и качество получаемого продукта при переработке пищевого сырья с помощью экструзионнои технологии зависит во многом от рабочих органов экструдеров и предварительно прошедшей обработки перерабатываемого сырья. Для решения данной задачи были разработаны конструкции экструдеров, позволяющие повысить эффективность переработки исходного сырья. Новизна технических решений подтверждена патентами РФ № 2205105, 2214918, 2227783, 2252871.
Практическая ценность работы заключается в том, что разработаны оригинальные конструкции экструдеров для получения продуктов питания нового поколения и способ получения амарантовых палочек, экструдируемых из зерновой смеси шрота амаранта, риса, гороха и картофельного крахмала, а так же определены рациональные параметры процесса ее переработки. Получен экструдиро-ванный продукт - амарантовые палочки, обладающий хорошими потребительскими свойствами и высокой пищевой ценностью. На основе математического моделирования разработана оптимальная геометрия предматричной зоны двухш-некового экструдера, позволяющая увеличить производительность экструдера и улучшить качество готового продукта за счет уменьшения застойных зон.
Апробация работы. Проведенные производственные испытания способа получения зерновых продуктов на ОАО «Алексеевский хлебозавод» на промышленном экструдере А2-КХП подтвердили рациональные технологические параметры. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на научных конференциях в Воронежской государственной технологической акаде-
мий (с 2001 по 2004 гг.); Екатеринбурге (2001), Тольятти (2001), Новосибирске (2002, 2003), Уфе (2003), Казани (2004), Могилеве (2004, 2005).
Результаты настоящей работы представлены на конкурсах и отмечены дипломами:
Диплом в рамках 17-ой межрегиональной выставки «ПРОДТОРГ» г. Воронеж, 2003 г., за разработку «Перспективных конструкций экструдеров для производства комбинированных продуктов».
Диплом конкурса инновационных проектов в рамках 17-ой межрегиональной выставки «ПРОДТОРГ» г. Воронеж, 2003 г., за проект «Совершенствование конструкций экструдеров для производства продуктов питания с высокой пищевой ценностью».
Диплом выставки «ЦЕНТРАГРОМАШ» г. Воронеж, 2004 г., за исследование темы «Научное обеспечение производства экструдированных продуктов».
Диплом в рамках П-ой Всероссийской выставки-ярмарки научно-исследовательских работ и инновационной деятельности студентов, аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений Российской Федерации «ИН-НОВ-2005» г. Новочеркасск, 2005 г., за проект «Разработка экструдеров для производства продуктов нового поколений».
По результатам работы получено звание лауреата премии администрации Воронежской области среди молодых ученых за 2002 г.
Работа выполнялась на кафедре процессов и аппаратов химических и пищевых производств (ПАХПП) Воронежской государственной технологической академии. Хотелось бы выразить благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору Острикову Александру Николаевичу за оказанную помощь и консультации при выполнении диссертационной работы.
Анализ существующих математических моделей процессов, происходящих в двухшнековых экструдеров
Длина зерновки колеблется от 4 до 10 мм, ширина - от 1,2 до 3,5 мм. Поверхность ее имеет ребра, соответствующие ребрам цветковых оболочек.
Цветковые чешуи при шелушении удаляются, а освобожденная зерновка, которую принято называть ядром, представляет собой обрушенное зерно риса и является источником запасных питательных веществ для будущего растения. Ядро включает в себя плодовые и семенные оболочки, алейроновый слой, зародыш и эндосперм. Наиболее ценная часть - эндосперм, в составе которого преимущественно содержится крахмал, отложенный в виде мелких гранул, находящихся в своеобразной белковой матрице [48].
Большая часть белка, жира, минеральных веществ и витаминов сконцентрирована в наружных слоях зерновки, главным образом в клетках алейронового слоя и зародыше. Центральная часть зерна состоит преимущественно из крахмальных гранул с очень малым содержанием белковых и минеральных веществ. Поскольку крахмал является основным компонентом, доля которого в зерновке колеблется от 53 до 80 % в зависимости от сорта и района произрастания, то изменение его физико-химических свойств и фракционного состава отражается на технологических и кулинарных свойствах риса.
Крахмал представлен простыми или сложными зернами, по форме они многогранны, размер их колеблется от 2 до 10 мкм. Углеводными компонентами рисового крахмала являются амилоза и амилопектин, соотношение которых зависит от сортовых особенностей и места выращивания. Содержание белка варьируется в пределах от 6,66 до 10,43 %, жира от 2,14 до 2,61, золы от 4,68 до 6,93 и клетчатки от 8,74 до 12,23 % [31].
Несмотря на относительно невысокое содержание белка в рисе, он имеет более высокую биологическую ценность по сравнению с другими зерновыми культурами и содержит 17 аминокислот, в том числе все незаменимые [79]. Химический и аминокислотный составы риса представлены в табл. 1.4, 1.5. Горох, Горох традиционно выращивается в России и является сырьем, при переработке которого можно получить высококачественный крахмал и низкий по себестоимости растительный белок. Горох - травянистое растение, имеющее однолетнюю и многолетнюю формы. Известно шесть его видов, из которых два культурных и четыре диких. В нашей стране в основном возделывают горох посевной (Pisum sativum L.) и в меньшем количестве горох полевой (Pisilm arvense L.). Горох имеет угловатый прямостоящий и полегающий стебель, достигающий высоты 2,5 м. Цветки собраны в кисть или ложный зонтик. Бобы плоские или цилиндрические, прямые или серповидноизогнутые. Созревшие бобы бывают желтого, коричневого или темно-бурого цвета. Семян в них от 3 до 10. Их форма шарообразная, округло-угловатая или угловатая, поверхность гладкая или морщинистая. Диаметр семян колеблется от 3,5 до 10,5 мм и разделяется на три группы: мелкие - 3,5...5,0 мм, средние — 5,0...7,0 мм и крупные - свыше 7 мм. Их размер значительно колеблется в зависимости от района произрастания. По окраске различают белые, желто-розовые и зеленые семена. Семенные оболочки составляют от 6,0 до 14,0 % от их массы. В зависимости от сорта и условий выращивания в семенах гороха содержится белка от 21 до 34 %, т.е. в 2-3 раза больше, чем в зерновых злаках. Пищевая ценность бобовых культур определяется высоким содержанием белка, имеющим по аминокислотному составу большую биологическую ценность (табл. 1.4, 1.5). В семенах гороха находится 25...50 % крахмала, 2...3- сахара, 4,0...7,3 -клетчатки, 1,5...2,8 - жира и 2,4...3,8 % минеральных веществ. Качественный состав белков в основном представлен глобулинами (60...90 %), такими как ле-гумин и вицелин, а также альбуминами (10...20 %) - легумелин. Наиболее богат витаминами зеленый горошек. В решении проблемы дефицита усваиваемого белка огромную роль в качестве сырья для его производства играют бобовые культуры, к которым относится и горох. По химическому составу и пищевой ценности эта культура наиболее близка к источникам животного белка - мясу, рыбе, молоку, причем это один из самых дешевых растительных белков. Горох отличается высокими пи щевыми достоинствами за счет способности накапливать и удерживать в не ?Р сколько раз больше высококачественного белка, чем другие виды растений. Его белок богат незаменимыми аминокислотами (табл. 1.5), особенно лизином, содержание которого в 2,0...2,5 раза выше, чем в злаковых культурах. Растворимость и переваримость белка выше, чем у других бобовых. Картофельный крахмал. Крахмал относится к основным резервным углеводам растений и поэтому является одним из наиболее распространенных веществ в растительном мире. Размеры зерен картофельного крахмала резко колеблются от 15 до микрон. Наиболее крупные овальные зерна вследствие резко выраженных концентрических бороздок имеют вид устричных раковин. Глазок ясно виден, как точка или короткая линия, распо- Рис. 1.28.3ерна картофельного ложенная эксцентрично в более узкой части зер- крахмала, раздавленные покровным стеклом, на. Крест поляризации ясно виден и не симметричен. Мелкие зерна ранних стадий развития по форме круглы или овальны и имеют слабо заметные бороздки или глазок [86].
Влияние гранулометрического состава зерновой смеси на характер протекания процесса экструзии
Проведение процесса экструзионной обработки пищевых продуктов при оптимальных параметрах и, как следствие, получение высококачественного продукта невозможно без всестороннего исследования влияния технологических и механических условий обработки модельной зерновой смеси. Поэтому была проведена серия экспериментов в широком диапазоне изменяющихся параметров, позволяющая понять физику этого процесса. Экспериментальные данные приведены в Приложении (табл. П 2-1).
При анализе полученных данных были получены следующие графические зависимости: значения давления, температуры и степени сжатия продукта при различной конфигурации шнеков (рис. 2.14 - 2.15); распределение температуры перерабатываемой смеси от времени нахождения его в экструдере при различных значениях частоты вращения шнека (рис. 2.15); зависимость давления в предматричнои зоне экструдера от диаметра проходного сечения матрицы при различной влажности смеси (рис. 2.17); зависимость степени расширения экс-трудата от содержания крахмала в смеси при различной влажности перерабатываемого сырья (рис. 2.18).
Основным элементом конструкции как одно - так и двухшнековых экстру-деров являются их рабочие органы — шнеки. Поэтому для исследования процессов, происходящих в двухшнековом экструдере, использовались шнеки различной конфигурации (Приложение табл. П-2.2), позволяющие в широких пределах исследовать влияние геометрических параметров рабочего органа экструдера на стабильность проведения процесса экструдирования и качество готового продукта. Была проведена серия экспериментов с каждой конфигурацией шнеков и на их основании построены графические зависимости (рис. 2.10 - 2.13). Данные зависимости позволяют определить совместное влияние степени сжатия (К, м3/м3) и температуры корпуса экструдера (Т, К) на давление, создаваемое шнеками по длине рабочей камеры, и длины функциональных зон, указывающие на глубину переработки исходной зерновой смеси. Чем больше суммарная длина зон гомогенизации и дозирования, тем большему преобразованию подвергся продукт. При изучении процесса экструзии использовалась зерновая смесь со следующими характеристиками: 42 % шрота амаранта, 14 % риса, 38 % гороха и 6 % картофельного крахмала; диаметр частиц - 0,32...0,63 мм; влажность после выдержки в течение 1 часа - 20 %; частота вращения шнеков экструдера - 1,2 с"1.
На первом этапе исследования определялась оптимальная конструкция шнека, позволяющая добиться максимальной степени преобразования в продукте, вызванного воздействием полем высоких температур и напряжений сдвига.
Из графических зависимостей рис. 2.14-2.17 видно, что суммарная максимальная длина функциональных зон двухшнекового экструдера наблюдалась при использовании шнека со степенью сжатия равной К= 2,125 м /м . При этом давление, развиваемое рабочими органами экструдера, составляло 5,6 МПа. В дальнейшем все исследования производились на данном шнеке. Распределение температур (рис. 2.14 - 2.17) по длине экструдера и функциональным зонам должно производиться следующим образом. Температура корпуса в зоне загрузки следует придерживаться диапазона от 323 до 343 К, поскольку необходимо добиться с одной стороны максимального прогрева материала, а с другой — при повышении температуры при переработке смеси с малым диаметром частиц 0,16...0,32 мм происходит выделение влаги на поверхности частиц, что приводит к их слипанию и соответственно неравномерной загрузке продукта, особенно явно это проявляется при использовании шнека с малой глубиной витков шнека. Удельный тепловой поток на этом участке составлял 0,027 Вт/мм . В конце зоны загрузки и зоне сжатия производится постепенный нагрев продукта до 373...393 К. На данном участке тепло подводится извне от электронагревателей, разогрев продукта за счет внутреннего трения частиц незначи-тельно. Удельный тепловой поток - 0,047 Вт/мм . В зоне гомогенизации величи-на удельного теплового потока составляла 0,068 Вт/мм , однако при этом в начале рассматриваемой зоны наблюдается резкое повышение температуры, что может быть обусловлено началом перехода зерновой смеси в расплав. Первоначально осуществляется образование расплава продукта у стенок корпуса и поверхности шнека, далее происходит образование очага плавления у стенки сердечника шнека и боковой стенкой винтового канала дальней от формующего канала экструдера. В конце зоны гомогенизации образуется гетерогенный расплав зерновой смеси с небольшим числом нерасплавленных частиц. При этом температура стенки корпуса экструдера повышается на 25.. .40 К. В зоне дозирования происходит окончательный переход гетерогенного расплава в гомогенный. Температура на данном участке повышается на 10...20 К и достигает 403...413 К. Удельный тепловой поток составлял 0,068 Вт/мм . На рис. 2.18 представлено распределение температуры перерабатываемой смеси от времени нахождения его в экструдере при различных значениях часто-ты вращения шнека.
Трехмерная модель движения жидкости в предматричной зоне двухшнекового экструдера
Отличительной особенностью уравнений Навье-Стокса, связанных с задачами анализа течения несжимаемой вязкой жидкости, к которым можно отнести реологические жидкости, является их нелинейность. Поэтому аналитические решения возможны либо для условий течения, в котором конвективные ускорения отсутствуют или пренебрежимо малы, либо при использовании теории пограничного слоя, когда исходную систему уравнений в частных производных удается свести к обыкновенным (хотя и нелинейным) дифференциальным уравнениям. В последнем случае систему обыкновенных дифференциальных уравнений приходится решать численно тем или иным методом с помощью распространенных в настоящее время математических пакетов (Mathcad, Maple, Mathematica, MATLAB [2, 12, 14, 21]). Анализ течений, развивающихся в сложных системах, как правило, выполняется с использованием численных методов.
Основная трудность расчета поля скоростей связана с неизвестным полем давления. Компоненты градиента давления входят составными частями в уравнения Навье-Стокса, но явного уравнения для определения поля давления не имеется. Если поле давления задано, то численное решение уравнений движения не вызывает особых трудностей. Здесь применяются численные схемы решения уравнений переноса приведенные в литературе по вычислительной математике [3,4,11,36,54,69,72].
Для сжимаемых потоков поля скорости и давления согласуются через уравнение неразрывности, точнее через связь плотности жидкости с давлением. Предположение о несжимаемости среды приводит к дополнительным вычислительным трудностям.
В уравнение неразрывности несжимаемой жидкости входят лишь компоненты скорости, т. е. в данном случае вообще нет прямой связи давления с полем скорости. Поэтому найти поле давления при расчете несжимаемых течений можно лишь косвенно, и здесь возможны два общих подхода [14,69, 96].
Первый подход (метод «завихренность - функция тока») заключается в исключении из рассмотрения давления из определяющих уравнений путем введения завихренности потока со и функции тока у/. Этот подход имеет свои достоинства и недостатки. Первый подход наиболее эффективен при анализе двухмерных стационарных течений или нестационарных потоков, но с пренебрежимо малым изменением давления. Для эффективности данного метода нужно, чтобы система решаемых уравнений не содержала переменных, явно и существенно зависящих от давления.
Во втором подходе используются первичные (или, как еще говорят, примитивные) переменные (и, v, w, р в трехмерном случае), а поле давления находят из решения уравнения неразрывности, применяя специальные процедуры. Если «правильное», т. е. соответствующее действительности, поле давления подставить в уравнения Навье-Стокса, то получаемое из них поле скорости будет удовлетворять уравнению неразрывности. Конечно, такой косвенный метод отыскания давления не очень удобен, но другие методы дают обычно неудовлетворительные результаты.
На практике часто прибегают к упрощениям исходной постановки для получения удовлетворительного решения, принимая некоторые допущения. Далее, в рамках принятых допущений в соответствии с целями проведения исследований осуществляют поиск решения задачи.
Для проведения процесса экструзии важно иметь информацию о распределении скорости движения массы в сечении передматричной зоны экструдера. Решение задачи можно получить, решая систему дифференциальных уравнений в частных производных, включающую уравнения равновесия Навье Стокса и уравнение неразрывности. По мнению многих авторов, получить решение системы в аналитическом виде возможно только для некоторых случаев. При решении задач течения жидкости в каналах сложного сечения принимают различного рода упрощения, например, прибегают к преобразованию исходной «пространственной» задачи в «плоскую».
Поставленная задача определения поля скоростей жидкости в предмат-ричной зоне характеризуется своей сложностью, которую составляют: нелинейная система дифференциальных уравнений Навье-Стокса; пространственная форма сечения предматричной зоны; относительно малое время пребывания жидкости в предматричной зоне экструдера.
В настоящее время широкую известность имеет метод конечных элементов (МКЭ) [2, 25, 73, 76]. МКЭ пользуются при решении самых разнообразных задач математической физики, он получил к настоящему времени всеобщее признание как общий метод изучения широкого класса задач техники и физики. Существенное развитие метод получил в прикладном и теоретическом аспектах.
МКЭ является одним из вариационных методов и часто трактуется как метод Ритца. Область, занимаемая телом, разбивается на конечные элементы. Чаше всего это треугольники в плоском случае и тетраэдры в пространственном. Внутри каждого элемента задаются некоторые функции формы, позволяющие определить перемещения внутри элемента по перемещениям в узлах, т.е. в местах стыков конечных элементов. За координатные функции принимаются функции, тождественно равные нулю всюду, кроме одного конечного элемента, внутри которого они совпадают с функциями формы.
В качестве неизвестных коэффициентов метода Ритца берутся узловые значения. После минимизации функционала энергии, получается алгебраическая система уравнений (так называемая основная система). Таким образом, ситуация здесь такая же, как и в вариационно-разностных методах, в которых для получения разностной системы уравнений применяется одни из вариационных принципов. В отличие от вариационно-разностного метода в МКЭ существенную роль играют функции формы, точнее их интерполяционные свойства.
Анализ качественных показателей экструдированных палочек
При выполнении математического моделирования были получены поля скоростей и давлений в исследуемой области. Из рис. 3.8-3.17, 3.19 видно, что средняя скорость движения расплава продукта сначала незначительно уменьшается, после чего происходит ее увеличение.
Необходимо отметить тот факт, что скорость по сечению распределяется неравномерно в связи с разным гидравлическим сопротивлением различных участков предматричной зоны двухшнекового экструдера. Влияние вращающихся шнеков на гидродинамику движения расплава продукта падает с уменьшением частоты вращения, диаметров конусов шнеков
Давление расплава экструдата в предматричной зоне (рис. 3.21) распределяется равномерно и можно считать его постоянным. Оно начинает меняться только на входе в формующий канал матрицы, что обусловлено гидравлическим сопротивлением матрицы и в дальнейшем происходит резкое падение давления до атмосферного значения. В результате проведения серии экспериментов осуществлена проверка полученных решений на адекватность реальному процессу экструдирования. Отклонение расчетных данных от экспериментальных по абсолютному значению не превышало 13,54 %.
Полученное численное решение математической модели течения вязкой жидкости в предматричной зоне, разделенной на два участка, позволило установить характер изменения скорости и давления расплава экструдата в предматричной зоне с учетом вращающихся конусов шнеков экструдера. На основании полученных данных предоставлена рекомендуемая форма предматричной зоны экструдера при формовании одного жгута расплава экструдата, подчиняющегося степенному закону Оствальда-де-Виля.
Образцы экструдата измельчали, просеивали через металлическую сетку № 025 (ГОСТ 4601-73) и подвергали анализам. Они были исследованы по следующим показателям: органолептическим, физико-химическим, содержанию аминокислот, микробиологическим и показателям безопасности. Определение указанных показателей позволяет выявить структурные изменения зерновой смеси 42 % шрота амаранта сорт "Ультра" (ТУ 9146-017-56459986-2003), 14 % риса (ГОСТ 6292-90), 38 % гороха (ГОСТ 28674-90) и 6 % картофельного крахмала (ГОСТ 7699-78), происходящие в процессе ее экструзионной обработки и оценить качество получаемых палочек.
В зависимости от режимов экструдирования соответственно были получены экструдаты с различными характеристиками. Для оценки качественных характеристик чечевичных палочек были исследованы следующие их физико-химические свойства: набухаемость (водопоглотительная способность); растворимость и водоудерживающую способность. Эти важные показатели, демонстрирующие возможность экструдата связывать воду и растворяться в ней, характеризуют его углеводный состав, а также потребительские свойства и частично усвояемость продукта. Набухаемость экструдатов определяли следующим образом: навеску измельченного образца массой 5 г смешивали в мерном цилиндре с дистиллированной водой, доводили объем смеси до 100 мл и оставляли на 24 часа для набухания, после чего измеряли объем набухшего продукта (в мл) [90]. Набухаемость, мл/г, рассчитывали по формуле:материала в цилиндре, мл; т - масса навески, г. Влагоудерживаюшую способность, %, определяли центрифугированием набухшей навески измельченных гранул при 3000 об/мин в течение 15 мин по формуле: где с - масса центрифужной пробирки, г; Ь - масса центрифужной пробирки с набухшим экструдатом, г; а - навеска экструдата, г. Насыпную массу пеллет определяли путем заполнения, исследуемым образцом специального мерного стакана объемом 1 дм5 Избыток экструдата удаляли сухой плоской металлической пластинкой и взвешивали. Насыпную массу вычисляли по формуле: где с — масса мерного стакана, заполненного экструдатом, г; / — масса пустого мерного стакана, г; V— объем мерного стакана, дм5 Получены следующие результаты: набухаемость - 1,9 мг/г, растворимость - 41,2 % и водоудерживающая способность измельченного экструдата - 2,73 г/г. Экструдированные зерновые палочки анализировали по органолептиче-ским показателям по ГОСТ 15115.3-77, влажности - по ГОСТ 15115.4-77, кислотности - по ГОСТ 15115.5-77. Массовую долю жира по ГОСТ 15115.9-77. Механическую прочность чечевичных палочек измеряли на приборе Строганова. Определение белка в экструдатах осуществляли по Къельдалю (ГОСТ 10846-91), общего сахара - по Починку, крахмала - поляриметрически по Эверсу на поляриметре СУ-4 (ГОСТ 10845-64), витаминов осуществляли методами, приведенными в [71]; содержание клетчатки - по Ганнебергу-Штоману (ГОСТ 13496.2-91). Аминокислотный состав пищевых продуктов - необходимая информация и важный критерий для определения их биологической ценности. Определение аминокислот (после гидролиза) производили методом жидкостной хроматографии.
