Penza, Russian Federation
GRNTI 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
OKSO 35.06.04 Технологии, средства механизации и энергетическое оборудование в сельском, лесном и рыбном хозяйстве
TBK 50 Технические науки в целом
The purpose of the research is theoretical substantiation of the influence of the thermal vacuum effect for the volume consumption of raw materials in the extruder with vacuum chamber. Theoretical studies of the working process of single screw extruders allowed us to obtain analytical expressions, which can be used to determine the volume flow rate of extruded raw materials serial machine. For extruders using thermal vacuum effect in their work, this theory does not allow to obtain acceptable results, since it does not take into account the fact that the technical solution implemented in the experimental extruder, compared with the serial machine allows to increase the coefficient of explosion of the extrudate in 1,5...2 times. In turn, this significantly affects the volume performance of the extruder and does not allow to determine with the necessary accuracy the structural and technological parameters of the vacuum chamber and its sluice gate. In this regard, in the carried out researches, on the basis of the equation of balance of mass of the processed raw materials which is in a path of the extruder and its vacuum chamber, the coefficient consid-ering influence of thermal vacuum effect on volume consumption of raw materials in the experimental extruder is theoretically proved, and also communication of this coefficient with other significant parameters of process of extrusion is established. The obtained results can be useful for further theoretical studies of extruders with thermal vacuum principle of operation and allow to calculate by analytical methods the main parameters of the vacuum chamber of machines performing thermoplastic extrusion of vegetable raw mate-rials.
extruder, filjera, coefficient, effect, flow rate, thermal vacuum, volumetric
Современные представления о базовых принципах термопластической экструзии растительного сырья позволяют утверждать, что к наиболее важным функционально-технологическим свойствам получаемых экструдатов и продуктов из них можно отнести коэффициент взрыва (расширения), насыпную массу, набухаемость, растворимость, водо- и жироудерживающую способность, текстуру и усвояемость.
При этом большая часть перечисленных свойств экструдатов в той или иной степени связана с их пористостью, интенсивность формирования которой зависит от содержания влаги и крахмала в обрабатываемом сырье, а также перепада давления на входе в фильеру матрицы экструдера и на ее выходе [4, 5].
Анализ влияния среды с пониженным давлением (по отношению к атмосферному) на капиллярно-пористую структуру получаемых экструдатов показал, что одним из эффективных способов управления при формировании этой структуры является термовакуумное воздействие на экструдат в момент его выхода из фильеры машины.
В результате развития этого научного направления в Российской Федерации и ряде других стран за последние 15-20 лет были опубликованы несколько работ, связанных с получением экструдатов на основе термовакуумного эффекта, а также выданы патенты на способ получения экструдатов и технические средства для их реализации [6, 8,10].
Прикладное значение этих разработок нашло отражение в технологиях получения хлебобулочных изделий, напитков, а также при обработке биологических отходов с целью получения корма для животных [1, 9].
Известно, что получение экструдатов из растительного сырья относится к чрезвычайно энергоемким технологическим процессам. При этом большая часть энергии затрачивается на повышение температуры обрабатываемого сырья.
Рабочий процесс экструдера, реализующего термовакуумный эффект, позволяет получить требуемый результат (коэффициент взрыва) при меньших давлении и температуре, что существенно экономит расход электроэнергии.
В связи с этим, можно предположить, что оценка влияния термовакуумного эффекта на объемный расход экструдата машиной, оборудованной вакуумной камерой, является актуальной задачей теоретических исследований.
Цель исследования – теоретическое обоснование влияния термовакуумного эффекта на объемный расход сырья в экструдере с вакуумной камерой.
Задачи исследования – получение теоретических зависимостей, позволяющих определить объемный расход сырья в экспериментальном экструдере с вакуумной камерой.
Материалы и методы исследований основаны на уравнении баланса массы обрабатываемого сырья, находящегося в тракте экспериментального экструдера и его вакуумной камере.
Результаты исследований. Основу рабочего процесса экструдера с вакуумной камерой составляют операции, характерные для серийной машины аналогичного назначения: перерабатываемое сырьё из загрузочного бункера с помощью дозатора направляется в рабочую зону экструдера и, захваченное шнеком, последовательно перемещается по внутреннему тракту машины, одновременно измельчаясь, нагреваясь и уплотняясь.
Отличительным признаком экспериментального экструдера является то, что при выходе из шнековой части машины обрабатываемый материал через отверстия в фильере матрицы поступает не в среду с атмосферным давлением, а в камеру с пониженным давлением (0,2…0,5 кПа).
Быстрый переход экструдата из области высокого давления (рабочий объем машины) в среду с пониженным давлением (вакуумная камера), в сравнении с серийным экструдером позволяет значительно увеличить интенсивность декомпрессионного взрыва, так как кипение воды, находящейся в продукте, осуществляется при меньшей температуре, чем это происходит при работе штатно укомплектованной машины. Таким образом, снижается расход электроэнергии, необходимой для нагрева сырья, а также обеспечивается более мягкий режим воздействия на термолабильные ингредиенты получаемого экструдата.
В общем случае объемный расход экструдата на выходе из фильеры матрицы экструдера в зависимости от давлений в тракте машины и за ее пределами можно определить на основании следующей зависимости [2]:
, (1)
где – радиус фильеры, м;
– давление, создаваемое экструдером перед матрицей, Па;
– атмосферное давление, Па;
– число фильер матрицы;
– кинематическая вязкость экструдата, Па×с;
– длина канала фильеры, м.
Расчеты, выполненные с помощью уравнения (1), показали, что для серийной машины объемный расход экструдата равен 0,0005641 м3/с, а для экспериментальной – 0,005775 м3/с, т.е. разница составляет меньше 1% [3].
Между тем, как показывают экспериментальные исследования экструдера с вакуумной камерой, такое техническое решение позволяет в сравнении с серийной машиной увеличить коэффициент взрыва как минимум в 1,5…2 раза, что, естественно отражается и на объемном расходе экструдата в такой машине.
В связи с этим для определения объемного расхода экструдата на выходе из фильеры матрицы экструдера с вакуумной камерой предложена уточненная формула [3]:
, (2)
где – давление в вакуумной камере экструдера, Па;
– коэффициент, учитывающий увеличение диаметра экструдата по сравнению с диаметром фильеры (коэффициент взрыва).
Рассмотрим роль и физический смысл рекомендуемого коэффициента, для чего составим уравнение баланса массы экструдата, находящегося в тракте машины (до выхода из фильеры) и массы экструдата после выхода из фильеры:
(3)
или
, (4)
где и
– объем экструдата соответственно до выхода и после выхода из фильеры экструдера, м3;
– объем водяного пара, образовавшегося в результате декомпрессионного взрыва экструдата в вакуумной камере машины, м3;
и
– плотность экструдата до выхода и после выхода из фильеры экструдера, кг/м3;
– плотность водяного пара, кг/м3.
Принцип работы экспериментального экструдера заключается в том, что из его вакуумной камеры постоянно откачивается воздух (водяной пар) с тем, чтобы обеспечивать в ней необходимое пониженное (по отношению к атмосферному) давление. Поэтому массой водяного пара в данном случае можно пренебречь и переписать уравнения (3) и (4) в виде:
(5)
и
. (6)
Уравнение баланса объемов экструдата после выхода обрабатываемого сырья из фильеры и попадания его в вакуумную камеру экструдера можно записать и в таком виде:
Vf = Vt +Δ Vt , (7)
где – приращение объема экструдата после выхода его из фильеры экструдера, м3.
Подставим в формулу (7) значение объема экструдата после выхода из фильеры, полученного на основании уравнения (6), и после некоторых преобразований запишем:
. (8)
Обозначим – коэффициент, учитывающий увеличение объема экструдата при выходе его из фильеры матрицы.
Тогда получим
. (9)
С учетом преобразований формулу (8) можно будет представить в виде
. (10)
Умножая обе части уравнения (10) на и учитывая выражение (5), получим:
. (11)
Обозначим
, (12)
и тогда можно записать
. (13)
Коэффициент, представленный формулой (12), назовем коэффициентом, учитывающим влияние термовакуумного эффекта на приращение объема экструдата после выхода его из фильеры экструдера.
После подстановки численных значений плотности экструдата до выхода и после выхода из фильеры экструдера (например, для пшеницы = 240 кг/м3 и
= 800 кг/м3) в уравнения (9) и (12), получим
= 2,3;
= 348 кг/м3.
Физический смысл коэффициента, учитывающего увеличение объема экструдата при выходе его из фильеры матрицы, достаточно хорошо характеризуется формулой (10), из которой следует, что приращение объема получаемого экструдата составляет для данного конкретного примера обрабатываемого сырья в количестве 230 % от его первоначального объема.
Коэффициент, учитывающий влияние термовакуумного эффекта на приращение объема экструдата после выхода его из фильеры экструдера ( ), показывает изменение массы получаемого экструдата на единицу приращения его объема.
Зная массу полученного экструдата, можно легко определить дополнительный объем сырья, который получается в результате его обработки в экструдере с вакуумной камерой. При этом данный коэффициент весьма информативен при сравнительном анализе экструдатов, выработанных из сырья с различной плотностью. Например, при сравнении пшеницы и ячменя, для которого коэффициент равен 200 кг/м3, можно сделать вывод о том, что при одинаковой массе полученного экструдата приращение объема готового продукта будет больше для сырья с меньшим значением коэффициента
, т.е. в данном примере – для ячменя в 1,74 раза (348/200).
Формула (13) может быть весьма полезна в том случае, когда необходимо определить объем вакуумной камеры экструдера при известной массе перерабатываемого сырья.
Заключение. Полученные теоретические зависимости учитывают влияние термовакуумного эффекта на объемный расход сырья в экструдере и позволяют определить аналитическими методами основные параметры вакуумной камеры машин, в которых осуществляется термопластическая экструзия растительного сырья
1. Voronina, P. K. Formation of the quality of beer in the process of fermentation of wort with the use of the extrudate barley / P. K. Voronina, A. A. Kurochkin // Bulletin of the Samara State Agricultural Academy. - 2012. - №4. - P. 100-103.
2. Denisov, S. V. Determining the capacities of the loading area of the press-extruder / S. V. Denisov, V. V. Novikov, A. A. Kurochkin, G. V. Shaburova // Bulletin of Altai state agrarian University. - 2009. - №12. - P. 73-76.
3. Denisov, A. O. On the influence of thermal effect on the performance of the extruder with a vacuum chamber / A. O. Denisov // Innovative machinery and technology. - 2017. - №1. - P. 52-58.
4. Kurochkin, A. A. Methodological aspects of theoretical research press extruders for processing starchy vegetable raw materials / A. A. Kurochkin, G. V. Shaburova, V. V. Novikov, S. V. Denisov // XXI century: the past and challenges of the present plus. - 2013. - №6 (10). - P. 46-54.
5. Kurochkin, A. A. A systematic approach to the development of thermal vacuum extruder for processing of the extrudate / A. A. Kurochkin // Innovative machinery and technology. - 2014. - №4 (01). - P. 17-22.
6. Kurochkin, A. A. Theoretical justification for the thermal vacuum effect in the workflow of the upgraded extruder / A. A. Kurochkin, G. V. Shaburova, D. I. Frolov, P. K. Voronina // Bulletin of the Samara State Agricultural Academy. - 2015. - №3. - P. 15-20.
7. Novikov, V. V. Determination of volumetric flow of extruded articles in the zone of single screw extru-sion press extruder / V. V. Novikov, A. A. Kurochkin, G. V. Shaburova [et al.] // Bulletin of the Altai SAU. - 2011. - №1 (75). - P. 91-94.
8. Pat. 2561934 Russian Federation, MPK A23P1/12, B29C47/38. Extruder with vacuum chamber / Sha-burova G. V., Voronina P. K., Shabrov R. V. [et al.]. - №2014125348/13 ; appl. 23.06.2014 ; publ. 10.06.2015, Bull. №25. - 7 p.
9. Pat. 2610805 Russian Federation, MPK A23K40/25 (2016.01), A23K10/26 (2016.01), A23K10/37 (2016.01). Method of production of feed / Voronina P. K., Kurochkin A. A., Shaburova G. V. [et al.]. - №2015119627 ; appl. 25.05.2015 ; publ. 15.02.2017, Bull. №5. - 8 p.
10. Pat. US 7001636 B1 Method for manufacturing feed pellets and a plant for use in the implementation of the method / Odd Geir Oddsen, Harald Skjorshammer, Fred Hirth Thorsen. - №09/937172 ; publ. 21.02.2006
