Содержание к диссертации
Введение
1 Соременное состояние и основные направления развития техники и технологии процесса экструзии 10
1.1 Взможности экструзионной технологии 10
1.2 Краткий обзор шнековых прессующих механизмов и конструкции основных элементов шнековых прессов 19
1.3 Обзор теорий прессования и экспериментальных исследований экструдирования материалов растительного происхождения 29
1.3.1 Реологические модели экструдируемых материалов 29
1.3.2 Современные представления о движении материала в полостях рабочего пространства экструдера 35
1.3.3 Параметры эффекта оценивающие качество продуктов экструдирования.36
1.4 Цель и задачи исследования 40
2 Оценка процесса смешивания при экструдировании 41
2.1 Путь смешивания экструдируемого продукта в канале шнека 42
2.2 Сдвиг экструдируемого продукта в канале шнека 43
2.3 Сдвиг экструдируемого продукта в компрессионных затворах шнекового прессующего механизма 49
2.4 Путь смешивания экструдируемого продукта в компрессионном затворе...56
2.5 Смешивание продукта в полости утечек прессующего механизма 58
2.6 Смешивание продукта в формующих полостях матрицы экструдера 59
2.6.1 Сдвиг продукта в щелевой фильере матрицы 59
2.6.2 Сдвиг продукта в цилиндрической фильере матрицы 62
2.7 Выводы по главе 66
3 Методика экспериментальных исследований процесса экструдирования 67
3.1 Аппаратурное обеспечение экспериментальных исследований 68
3.1.1 Описание лабораторного стенда 68
3.1.2 Описание тензометрической системы измерения давлений в шнековом прессующем механизме 72
3.1.3 Описание системы измерения температуры в головке шнекового прессующего механизма 77
3 1.4 Измерение угловой скорости шнека 79
3.1.5 Описание системы измерения мощности сил полезного сопротивления в шнековом прессующем механизме 80
3.1.6 Измерение производительности экструдера 80
3.2 Методика расчета параметров процесса экструдирования 80
3.3 Программное обеспечение экспериментальных исследований 84
3.3.1 Описание программы для обработки результатов измерений АЦП 84
3.3.2 Обработка результатов экспериментов 88
3.4 Методика проведения экспериментов 89
3.4.1 Обеспечение требуемых режимов экструдирования 89
3.4.2 Оценка качества экструдированного продукта 91
3.4.3 Методика поискового эксперимента 93
3.4.4 Методика экспериментального определения смешивающей способности шнекового прессующего механизма 95
3.4.5 Методика экспериментального определения измельчающей способности шнекового прессующего механизма 96
3.4.6 Определение неизвестных внешних величин математической модели движения прессуемого материала в шнековом прессующем механизме 99
3.4.7 Методика экспериментального определения параметров воздействия на комбикорм 100
3.5 Выводы по главе 100
4 Экспериментальные исследования воздействия шнекового прессующего механизма на качество экструдированного полуфабриката 101
4.1 Влияние расхода энергии в процессе экструдирования на параметры качества экструдированного продукта 101
4.2 Исследование измельчающих и смешивающих возможностей экстру дера . 110
4.2.1 Исследование процесса измельчения при экструдировании 110
4.2.2 Исследование процесса смешивания при экструдировании 113
4.3 Определение критериальных значений степени воздействия на комбикорм сдвига и пути смешения 117
4.3.1 Определение коэффициентов местных сопротивлений в головке прессующего механизма 118
4.3.2 Определение показателей качества экструдированного продукта 120
4.3.3 Определение критериев качества комбикорма 121
4.4 Выводы по главе 123
5 Совершенствование конструкции пресса ПЭШ-30/4 и оборудования для исследования реологических параметров 124
5.1 Параметрический синтез прессующего механизма экструдера 124
5.2 Новые конструкции головки экструдера 132
5.3 Разработка нового питателя экструдера 137
5.4 Новые конструкции оборудования для исследования реологических параметров экструдируемого материала 138
5.5 Экономическое обоснование применения новой математической модели пресса-экструдера 144
5.6 Выводы по главе 153
Общие выводы по работе 154
Список использованных источниов 156
Приложения 171
- Краткий обзор шнековых прессующих механизмов и конструкции основных элементов шнековых прессов
- Сдвиг экструдируемого продукта в канале шнека
- Методика расчета параметров процесса экструдирования
- Исследование измельчающих и смешивающих возможностей экстру дера
Краткий обзор шнековых прессующих механизмов и конструкции основных элементов шнековых прессов
В современной практике экструзионных технологий нашли наиболее широкое применение два типа экструдеров — одношнековые и двушнековые, которые соответственно имеют особенности и различаются по производительности, назначению, технологическим возможностям, по уровню технического исполнения [3,5,6,9,18,42,55,...,67,69].
В настоящее время экструдеры выпускаются следующими фирмами: Wenger, Anderson, Sprout-Bauer (США), Clextral, Crezaux-Loire (Франция), Werner & Pfleiderer, Weber, Walter (Германия), Pavan Mapimpianti, Grondona Nimet, Pagani (Италия), Buhler, Buss, Lalesse (Швейцария), Baker Perkins (Великобритания), Cincinnati (Австрия), Toshibe (Япония) и многие другие, а также отечественные КМЗ, Арсенал, Белее, НТЦЭПУ РАН и ШЭТ [5,6,70,71,72].
Несмотря на существенные различия в конструкциях, одно- и двухшне-ковые экструдеры могут быть первоначально классифицированы по общим для этих машин принципиальным признакам - термодинамическим характеристикам, в соответствии с которыми выделяются следующие типы: автогенные, по-литропные и изотермические [73].
Автогенные экструдеры - это машины, в которых тепло, необходимое для термической обработки растительного сырья, генерируется непосредственно в камере экструдера только за счет диссипации механической энергии (без внешнего обогрева). Специальные конструкции узлов рабочих органов (шнеки, камера, фильеры) создают сопротивление движению перемещаемого материала, что обеспечивает повышение температуры ведения процесса до величины 120...200 С.
Такой принцип разогрева перерабатываемого сырья используется, как правило, в одношнековых экструдерах.В политропных экструдерах процесс термической обработки материала осуществляется как за счет внутреннего разогрева массы, так и с помощью внешних источников тепла. Большинство экструдеров, которые используются для варочной экструзии, являются политропными. Для обеспечения внутреннего разогрева материала используются специальные элементы в конструкции шнеков, создающие задержку массы в камере экструдера, ее неоднократное возвратное движение на отдельных участках.
С целью регулирования и поддержания необходимых значений температуры процесса, а также для пуска и вывода экструдера на рабочий режим применяются внешние обогреватели камеры экструдера. Существуют три метода нагрева экструдера: электрический, жидкостный и паровой.
Изотермические экструдеры ограничиваются спецификой их примене ния: они предназначаются, в частности, для формования макаронных изделий и хлебного теста. В таких экстру дерах тепло, выделяемое в результате механического воздействия рабочих органов на перерабатываемый материал, контролируется вдоль камеры и при увеличении температуры процесса выше заданной по технологии регулируется за счет охлаждения внешним теплообменником
Экструзионную переработку крахмалосодержащего сырья целесообразно проводить в шнековых экструдерах с применением автогенных режимов экструзии.
Особенности конструкции шнековых прессующих механизмов, а также накопленный опыт эксплуатации экструдеров изложены в книгах: А.Я. Соколова [55], СВ. Мельникова [56], ЯМ. Жислина [57], Н.П. Черняева [42, 58], Джадсона М. Харпера [59], Л.А. Бурова, Г.М. Медведева [60], Н.И. Назарова [61], Г. Шенкеля [3], Б.М. Азарова [62], В.Н. Клейменова, К.Б. Вартанова [63], П,М, Василенко, И.И. Василенко [64], Г.М. Кукты [65], И.Э. Груздева [66,67], А.Н. Богатырева, В.П. Юрьева [5] и других авторов.
Многошнековые машины широкое распространение получили в области экструзии термопластов, в перерабатывающих отраслях и кормоприготовлении наибольшее распространение получили машины с рабочим органом в виде одного шнека [55,68].
Одношнековые экструдеры имеют как свои достоинства, так и недостатки. Они проще в изготовлении, относительно дешевы, возможно восстановление геометрии их рабочего органа, поскольку износ шнека концентрируется по торцу и наружной кромке витков шнека, кроме того для них лучше развито математическое описание теории процесса, что расширяет возможности оптимизации таких прессующих механизмов Недостатками одношнековых экстру деров являются плохое смешивание обрабатываемого продукта, отсутствие принудительного транспортирования, что ведет к неудовлетворительному транспортированию продукта с высоким содержанием жира и воды, отсутствие самоочистки и, как следствие, - опасность спекания продукта на шнеке при его низкой влажности. В таких экструдерах чаще возникают подъемы давления из-за накопления продукта; переход с одного сырья на другое затруднен тем, что камеру и шнек необходимо очищать, а значит нужно разбирать экструдер. Более высокие расходы по эксплуатации одношнековых машин связаны с длительными простоями при чистке, большими трудозатратами и объемом работ по обслуживанию [55].
Двухшнековые машины, имеют сложную конструкцию (вследствие чего потребляют на 20 ... 50 % больше энергии, а стоимость их выше на 60 %), трудоемкость в использовании и значительный износ рабочих органов, которому подвергаются не только винтовая поверхность, но и основание шнека. В связи с этим, в двухшнековом экструдере свойства продукта и эффективность процесса экструдирования в большей степени зависит от износа шнека [3]. Применение двухшнекового экструдера не требует предварительной гидротермической обработки продукта, что упрощает производственный процесс. Преимущество двухшнекового экструдера составляет точное объемное дозирование, лучшее перемешивание продукта, эффект самоочистки, вследствие которого не происходит залегание продукта в прессующем механизме, а также способность перерабатывать смеси с высоким содержанием жира и сахара [6,55].
Есть общие принципы в конструировании обоих типов машин. Современная многофункциональная установка состоит из следующих основных узлов: экструзионная камера; шнековые валы; привод шнековых валов; матрица с фильерами; режущее устройство; дозатор компонентов; пульт управления [5].Главными узлами экструдера являются камера и шнек. Экструзионная
Сдвиг экструдируемого продукта в канале шнека
В качестве альтернативного параметра, описывающего смешивание, можно использовать деформацию сдвига изучаемой среды [75]. Определим основную компоненту деформации сдвига, возникающую в прессуемом материале, движущемся в шнековом канале пресса-экструдера. Для этого необходимо решить задачу движения прессуемого материала в канале шнека.
В канале шнекового механизма прессуемый материал движется по полости сложной конфигурации. Эту полость при исследовании обычно заменяют более простой, используя геометрические свойства цилиндрических поверхностей развертываться на плоскости. Таким образом, полость канала шнекового механизма можно заменить парой параллельных плоскостей, между которыми движется прессуемый материал.
Будем считать, что прессуемый материал имеет свойства псевдопластического тела, реологическое уравнение течения которого описывается уравнением Оствальда-де Виля [76], связывающим напряжение сдвига т со скоростью сдвига ух,где // - коэффициент консистенции материала;
П — индекс течения, характеризующий отклонение свойств данного материала от свойств ньютоновской жидкости. Рассмотрим установившееся движение прессуемого материала между двумя бесконечными параллельными пластинами, полученными разверткой пары контактных с прессуемым материалом коаксиальных цилиндрических поверхностей шнекового цилиндра и шнека, нижняя из которых неподвижна, а верхняя движется со скоростью vc. Систему координат выберем, как показано на рисунке 2.2.
Объемными силами, возникающими при движении материала, пренебрегаем по сравнению с величиной напряжений, возникающих в материале при прессовании. Необходимое для пластического течения материала между контактными поверхностями напряжение сдвига тху в принятой нами моделипрессующего механизма было определено С.А. Бостанджияном и A.M. Сталиным [77] в виде риале равны нулю; dor dx градиент давления в канале шнека. Воспользуемся уравнением (2.4). Тогда с учетом направления касательного напряжения т 0 уравнение (2.5) преобразуется в уравнение где обозначено — = т; п V — скорость движения прессуемого материала в канале шнека; в канале шнека. По теореме о среднем средняя скорость материала связана с его расходом на единичной ширине выражением (2.14) где vc - скорость движения верхней плоскости модели канала шнека, замещающей шнековый корпус. Поскольку кинематические параметры движения прессуемого материала принимаются постоянными во времени, будет справедливо выражение где у - сдвиг прессуемого материала в слое с координатой у; t - время нахождения в канале шнека слоя прессуемого материала с координатой у. Подставляя в выражение (2.15) зависимости (2.1), (2.9) и (2.12), получим искомое значение деформации сдвига в шнековом канале Используя среднее значение сдвига можно оценить однородность сдвига в потоке по рассматриваемой полости. Будем полагать, что однородность сдвига в канале шнека оценивает коэффициент однородности где утах и уп п — соответственно максимальный и минимальный из рассматриваемых в данной полости сдвигов. При расчете по формуле 2.17 значение ymax используется за минусом толщины пристенного слоя 5. На рисунке 2.3 приведена диаграмма изменения деформации сдвига по радиусу цилиндра шнекового корпуса с диаметром Dc =0,058 м и глубиной шнекового канала кщ = 0,008 м. Для удобства сравнения диаграмм начало координат в канале перенесено на серединную плоскость канала. При построении Вид данной диаграммы практически неизменен при шагах винтовой линии канала шнека рх равных 0,016; 0,024; 0,032; 0,040 и 0,048 м, что говорит о незначительном влиянии шагов витков шнека в этом диапазоне на деформацию сдвига. Сдвиг неравномерно распределен по высоте канаїа шнека. Вблизи дна канала существует область, где материал не подвержен значительному сдвигу. Вблизи шнекового корпуса сдвиг в материале достигает больших значений. Рассмотрим плоскую модель компрессионного затвора, представленную на рисунке 2.4 в системе прямоугольных координат Oxyz.
Методика расчета параметров процесса экструдирования
Расчет нормальных напряжений в прессуемом материале. На основании результатов, полученных в работе [78,146], напряжения в прессуемом в одношнеко-вом экструдере материале можно определить, пренебрегая утечками, из системы уравнений где кф —число фильер в матрице. Коэффициенты А} и BY учитывают сопротивление движению материала В канале шнека и имеют вид где кип иЬ- соответственно коэффициенты искажения пространства и формы [78]; рпс — нормальный шаг винтовой лопасти на цилиндрической поверхности диаметром Dc q -число лопастей шнека (число заходов); snc - нормальная толщина вершины лопасти на цилиндрической поверхности диаметром Dc шнекового цилиндра вдоль шнекового канала vc - относительная окружная скорость поверхности шнекового цилиндра диаметром Dc; а -угол подъема винтовой лопасти на цилиндрической поверхности диаметром Д.; Реологические параметры прессуемого материала в канале шнека приняты постоянными и равными ц{ и т\, а в насадке и канале фильеры, где материал имеет более высокую температуру, они также постоянны и равны //Q и т. Координату у$» входящую в выражение (3.3), определим из зависимости [78] где Lp - длина развертки канала шнека на плоскость; TJQ - предельное напряжение сдвига экструдируемого материала при атмосферном давлении; /?- коэффициент всестороннего давления. Коэффициент сопротивления движению материала через кольцевой канал между корпусом шнека и насадкой запишем с учетом местных сопротивлений на вход в компрессионный затвор, выход из него и потерь в пространстве между компрессионным затвором и матрицей Е = где hK -радиальная высота компрессионного затвора; хк — осевая протяженность компрессионного затвора; с - коэффициент местных сопротивлений насадки; RK - гидравлический радиус канала компрессионного затвора. Параметр Н для случая цилиндрических каналов фильер определен из решения уравнения Рабиновича-Муни в виде где dM -диаметр фильеры; zM -длина канала фильеры. Если загрузка прессующего механизма безнапорная сг2 = 0, в противном случае (72 равно напору дополнительного питающего механизма. Производительность шнекового пресса-экструдера QM определена количеством продукта, проходящего через формующие каналы матрицы в единицу времени, где р - плотность экструдируемого материала. Из условия неразрывности эта производительность равна производительности QK через насадку на конце шнека Мощность сил полезного сопротивления шнекового прессующего механизма N определим, как предложено в работе [74]. Мощность сил полезного сопротивления секции равна где NMi, N j, NKi — соответственно мощности сил полезного сопротивления в канале шнека, зазоре утечек и компрессионном затворе. Мощность сил полезного сопротивления в канале шнека определена интегрированием касательных напряжений сопротивления осевому перемещению пластической гайки с учетом соотношения между осевой и окружной скоростями движения этой гайки относительно рабочих органов прессующего механизма3.3 Программное обеспечение экспериментальных исследований
Для работы с АЦП при проведении экспериментального исследования нами разработана программа. Внешний вид интерфейса программы представлен на рисунке 3.10. В левой части поля расположены окна, где происходит графическое отображение процесса в режиме реального времени по каждому каналу. При необходимости любое окно можно раздвинуть на весь экран. В правой части отобража ется ход процесса по каналам в табличном виде. Кроме того, команды панели управления позволяют разворачивать во весь экран либо графики, либо таблицу. Перед началом работы необходимо инициализировать модуль, щелкнув левой кнопкой мыши на панели инструментов команду «ИНИЦИАЛИЗАЦИЯ». Для контроля записи процесса предусмотрены команды «СТАРТ» и «СТОП». При каждом новом нажатии «СТАРТ» создается новый файл, который записывается в отдельную папку, при этом на экране можно следить заходом процесса по графикам и числовым значениям в таблице. Остановка записи осуществляется командой «СТОП». Для повторного просмотра записанного процесса существует команда «ЗАГРУЗИТЬ», здесь из предложенного перечня файлов достаточно выбрать нужный. вид интерфейса программы для работы с модулем
Опция «НАСТРОЙКИ» предназначена для корректировки параметров необходимых для работы АЦП. Активизация этой опции вызывает диалоговое окно представленное на рисунке 3.11.В данном окне можно изменить следующие основные параметры: число каналов (4 и 8); рабочий диапазон изменения напряжения на тензодатчиках (от ±10mV до ±80mV); опорное напряжение (2,5V и 5V); режим (статодинамика, статика 4 канала и статика 8 каналов); питание измерительных мостов (постоянный ток, DC и переменный ток АС).
Закладка «КАЛИБРОВКА» на панели инструментов диалогового окна, представленного на рисунке 3.11, предназначена для внутренней и внешней (системной) калибровки АЦП. Вид ее диалогового окна представлен на рисунке 3.12.
Для калибровки каналов АЦП необходимо кликнуть левой кнопкой мыши команду «MTN сигнал + МАХ сигнал», при этом разбаланс моста состоящего из тензодатчиков и внутренних резисторов модуля АЦП минимальный. После сообщения диалогового окна об успешной калибровке нуля, разбаланс доводится до максимального необходимого значения и повторно запускается команда «МГЫ сигнал + МАХ сигнал».
Исследование измельчающих и смешивающих возможностей экстру дера
Эксперимент выполнен на экстру дере ПЭШ-3 0/4 с параметрами прессующего механизма, приведенными в таблице 3.1. Матрица имела одну цилиндрическую фильеру, соосную со шнеком. Диаметр фильеры равен 0,01 м, а ее длина -0,04 м.
Изучено влияние степени предварительного измельчения и степени предварительного смешивания, на степень измельчения, однородность смешивания, прочность на срез и степень вспучивания экструдированного продукта.
При исследовании была использована зерновая кормосмесь, состоящая из 40 % пшеницы, 40 % ячменя и 20 % отрубей. Исходная влажность смеси принята равной W = 24 %. Угловая скорость шнека - О) = 15 рад/с"1. В процессе эксперимента измеряли производительность экструдера и электрическую мощность его двигателя.
Экструдированию были подвергнуты 5 образцов кормосмеси, отличающиеся средним модулем крупности. Результаты замеров приведены в Приложении Б таблицах 1-3.
Полученные осредненные результаты эксперимента приведены в таблице 4.2. Из таблицы 4.2 видно, что изучаемый диапазон средних модулей крупности составляет от 0,95 до 2,94. По результатам обработки данных, приведенных в таблице 4.2 можно сделать вывод о том, что степень предварительного измельчения не оказывает существенного влияния на значение производительность экструдера и энергоемкость процесса экструдирования. Прочность и степень вспучивания полученного продукта также слабо связана с исходным модулем крупности в исследованном диапазоне.
Модуль крупности кормосмеси после экструдирования, определен по методике, изложенной в главе 3. Об изменении среднего модуля крупности после экструдирования можно судить по результатам таблицы 4.2.
Анализируя таблицу 4.3 можно увидеть, что в процессе экструдирования зерновое сырье измельчается. Модуль крупности после экструзии в среднем уменьшается на 21,4 %. Наиболее интенсивное уменьшение модуля крупности наблюдается у кормосмесей с первоначально более крупными частицами.
Некоторое выпадение данных при экструдировании цельного зерна может быть объяснено сопротивление плодовых оболочек, которые в этом случае не были подвергнуты предварительному разрушению.
Полученный результат позволяет предположить, что степень предварительного измельчения не оказывает существенного влияния на реологические свойства материалов растительного происхождения при скоростях сдвига, возникающих в шнековом прессующем механизме при исследованных режимах экструдирования.
Изучение влияния степени предварительного смешивания кормосмеси на смешивание в процессе экструдирования, на показатели качества комбикорма. Исходная влажность смеси и степень измельчения фиксированы. Показатели: средняя частота вращения, размеры (толщина, длина) и количество фильер, постоянны.
Для решения поставленной выше задачи был проведен эксперимент, в котором использовалась зерновая кормосмесь с постоянным модулем крупности равным 2,94 (состав описан в п. 4.2,1). Конструктивные параметры шнекового прессующего механизма и режимы его работы. Отличие состояло в том, что в эксперименте использованы пять шнеков с шагом витков рх, составляющим 0,016;
На каждом из пяти шнеков было проэкструдировано три образца кормосмеси, отличающихся степенью смешивания специально выделенного компонента -охотничьей дроби № 9. Для приготовления образца брали 2,5 кг кормосмеси, в которую добавляли дробь по методике, описанной в главе 3, Образцы отличались временам смешивания: первый образец смешивали три секунды, второй -двадцать секунд, третий - сто восемьдесят секунд. Степень смешивания определяли до экструдирования и после нее.
Результаты выполненных в процессе эксперимента замеров представлены в Приложении В таблицах 1 -7. Расчетные параметры в табличном виде представлены ниже.
Так в таблице 4.4 приведены значения средние значения степени смешивания кормосмеси по формуле (3.18) и среднеквадратичное отзшонение от математического ожидания этой величины на стадии подготовки к экструдированию и после экструдирования. В таблице 4.5 приведены осредненные значения измеренных в этом эксперименте параметров процесса экструдирования и качества экструдированного продукта в зависимости от степени предварительного смешивания кормосмеси ишага шнека. Результаты, приведенные в таблице 4.4, позволяют сделать заключение, что шнековый прессующий механизм обладает смешивающими свойствами, однако не позволяет добиваться высокой однородности смесей. При высокой степени предварительного смешивания экструдирование вызвало некоторую сегрегацию смеси. Наиболее эффективно смешивание происходит при экструдировании кормосмесей со средней степенью предварительного смешивания, при большем значении шага нарезки витков шнека.
Анализ данных таблицы 4.5 позволяют сделать заключение о том, что все исследованные параметры независимы от степени смешивания.После обработки результатов эксперимента были получены корреляционные уравнения зависимости исследуемых показателей от шага нарезки витков. Эти уравнения имеют вид:
Соответствующие коэффициенты уравнений приведены в таблице 4.6.Анализ данных таблицы 4.6 показывает, что производительность, энергоемкость и относительное изменение степени смешивания существенно зависят от шага шнека, а прочность на срез и степень вспучиваемости не обладают такой явной зависимостью.
