Методические рекомендации для выполнения лабораторной работы
по дисциплине «Процессы и аппараты пищевых производств»
Тема: «Гидростатика процессов формования»
Орел-2008
Авторы: д.б.н., профессор А.В. Мамаев,
ассистент И.В. Сонина.
Рецензент: к.б.н., доцент О.А. Шалимова
Методические указания рассмотрены Учебно – методическим советом ОГАУ.
Введение
Процесс формования пищевых масс заключается в придании продукту определенной формы и размеров Разнообразие свойств пищевых продуктов и качество их поверхности обуславливает многообразие способов формования, дробление, резание, экструзия, гранулирование, штамповка, отсадка, вакуумирование, виброформование, округление и брикетирование.
Одним из наиболее распространенных способов формования является экструзия или выпрессовывание жгута продукта через профильное отверстие Формование экструзией имеет ряд преимуществ: высокоскоростная поточность процесса, широкий диапазон назначения от дозирования продукта до его прессования, совмещенного с процессами смешивания и гомогенизации. С этих позиций перспективным является развитие шнековой экструзии, имеющей следующие преимущества, отсутствие пульсаций продукта, относительная легкость регулирования производительности экструдера, возможность смешивающего и гомогенизирующего воздействия.
Цель работы:
1. Изучить кинетику процесса экструзии в шнековом экструдере.
2. Определить объемную массу исходного продукта методом погружения.
3. Изучить виды экструдеров. Их отличительные особенности, сходства.
4. Произвести расчет производительности экструдеров.
5. Изучить понятие расходно-напорной характеристики шнеков
Экструзионные прессы или экструдеры применяют для всех видов вязко-пластичных масс, начиная от фаршей и кончая сметаной. При этом применение того или иного вида нагнетателя обусловлено реологическими свойствами продукта. Поршневые, валковые и пластинчатые экструдеры применимы для формования масс нежной консистенции низким давлением от 0,5 до 2 атмосфер.
Применение шнековых, винтовых и шестеренных экструдеров обусловлено либо необходимостью создания высокого давления, либо дополнительным гомогенизированием пищевых масс. При этом высокое давление требуется для создания прочной структуры отформованного жгута и удаления газовых включений. Дополнительное гомогенезирование применяется в молочной промышленности при производстве животного масла. Данная группа экструдеров в силу сверх интенсивного воздействия на продукт требует обязательного 
охлаждения для оптимального темперирования продукта по всему объему. Если экструдер служит лишь для транспортирования продукта без создания избыточного давления в зоне предматричной камеры, он носит название нагнетателя. Формы и размеры предматричной камеры зависят от свойств перерабатываемого материала, типа и размеров нагнетающего механизма и способности не создавать пульсации продукта при отсутствии застойных зон.
Наиболее распространенными являются шнековые экструдеры (Рис.1), обеспечивающие непрерывный поток при возможном регулировании давления в камере в значительном диапазоне от 0,1 до 300 атмосфер изменением скорости вращения вала шнека, сменой матрицы и нагнетателя. Недостатками этих экструдеров являются сложность санитарно-технического обслуживания и ремонта. Основными характеристиками шнека являются диаметр винтовой нарезки и вала; геометрический критерий, характеризующий отношение длины шнека к диаметру винтовой нарезки (λ/D = 6…13), шаг шнека и угол наклона винтовой линии. Эти параметры шнека в первую очередь определяют расходно-напорную характеристику, которая выявляет зависимость производительности экструдера от давления нагнетания и, следовательно, определяет мягкость режима обработки пищевых продуктов. Для выявления результирующей расходно-напорной характеристики определяют эмпирическим путем зависимость производительности экструдера от давления нагнетания при изменении одного рабочего параметра (Рис.2): глубины нарезки винтовой линии (h), длины и шага шнека (L и S), частоты вращения вала шнека (п).
Анализируя полученные зависимости, можно вывести уравнение производительности шнековых экструдеров, м3/с:
(1)
где D – внутренний диаметр камеры нагнетания, м;
В, Н – высота и толщина формующего канала, м;
Р – давление нагнетания, Па;
m – коэффициент динамической вязкости продукта, Па·с;
a – угол подъема винтовой линии;
– коэффициент формы сечения матрицы, м3. (2)
F – площадь поперечного сечения канала, м2;
L – длина канала, м;
П – периметр канала, м2;
– круглое сечение;
D – диаметр канала, м;
– коническое сечение; (3)
Dн, Dк – начальный и конечный диаметры канала, м;
– кольцевое сечение; (4)
Rн, Rв – наружный и внутренний радиусы канала, м;
– щелевое сечение; (5)
b, h – ширина и высота канала, м;
f – удельная площадь поперечного сечения канала.
Поршневые экструдеры занимают после шнековых ведущее место при производстве продуктов питания, особенно в малотоннажных производствах. Это связано с простотой конструкции и легкостью обслуживания. Единственным недостатком поршневых экструдеров является цикличность процесса и, следовательно, пульсационность потока.
Расчет поршневых экструдеров, как и шнековых ведут по расходно-напорной характеристике. И в общем случае можно производительность рассчитывать по формуле 1, приняв, что при отсутствии винтовой линии угол подъема равен 0.
Шестеренные экструдеры (Рис. 3) также как и шнековые характеризуются интенсивным воздействием на продукт. Однако их недостатком является сложность эксплуатации и пульсационность потока. В результате их применение ограничено упруго-вязкими массами, требующими значительной проминки.
(6)
где b – ширина шестерни, м;
z – число зубьев;
mz, a0 – модуль и угол зацепления;
Кп – коэффициент зацепления;
п – частота вращения шестерен, об/с.
Пластинчатые экструдеры (Рис. 4) обладают минимальным воздействием на продукт при повышенной пульсации потока экструдата. Этим обусловлено ограниченное применение экструдеров. В основном их используют в качестве дозаторов для продуктов нежной консистенции.
При работе дозаторов только как транспортирующих устройств их производительность рассчитывают по следующей формуле:
(7)
B, h, d – ширина, высота и толщина пластин, м;
D – внутренний диаметр рабочего корпуса;
К1 – число пластин;
п – частота вращения ротора, об/с.
При работе дозаторов в качестве экструдеров, то если при необходимости создания минимального давления, в формуле производительности учитывается эксцентриситет, обеспечивающий уменьшение зазора между корпусом и ротором.
(8)
w – угловая скорость ротора, с-1;
R – радиус ротора, м;
е – эксцентриситет, м.
Вальцовые экструдеры в отличие от пластинчатых позволяют избежать пульсационности потока экструдата, но вместе с тем требуют повышенного внимания к выбору экструдируемого продукта. Это связано со значительным контактом вальцов с продуктом на незначительной в объеме продукта площади. В результате вальцовые экструдеры применяют для экструдирования продуктов нежной консистенции с пониженными адгезионными свойствами. Кроме того, для снижения продолжительности контакта громоздкие вальцы заменяют несколькими парами вальцов меньшего диаметра. Расчет производительности этих аппаратов можно вести по формуле 8.
Рабочую камеру шнекового экструдера можно условно разбить на три зоны: транспортирующую, уплотняющую и прессующую Первая зона предназначена для равномерного распределения продукта в шнековой камере. Во второй зоне происходит уплотнение продукта с частичной деформацией его частиц и вытеснением воздуха при одновременном перемешивании. Последняя зона обеспечивает формоустойчивость выпрессовываемого жгута. При этом по мере продвижения массы продукта вдоль шнековой камеры она испытывает сдвиговые деформации под действием тангенциальных сил и деформации растяжения-сжатия под действием осевой силы и момента сопротивления. Наличие перечисленных сил, а также сил сцепления частиц продукта между собой определяет работоспособность экструдера.
