Эффективность процесса экструдирования полизлаковой смеси

Важнейшей задачей пищевой промышленности является разработка научных, теоретических и практических основ получения новых форм продуктов питания. В этой связи качественно новым направлением является расширение ассортимента производства продовольственных продуктов из зерна культур казахстанской селекции [1-2].

Одним из перспективных направлений развития техники и технологии производства продуктов питания на зерновой основе является повышение степени готовности путем экс-трудирования мучной смеси. В этой связи изучение эффективности процесса экструдирова-ния полизлаковой смеси является актуальной и задачей.

Экспериментальные исследования по изучению процесса экструдирования проводили на промышленном двухшнековом экструдере типа Р3-КЭД-88. В конструкции устройства реализованы современные инженерные решения, направленные на совершенствование технологии производства экструзионных продуктов.

Экструдер типа Р3-КЭД-88 оснащен электрическим приводом мощностью 90 кВт и обладает максимальной производительностью 450 кг/час. Отличительной особенностью конструкции устройства является автоматизированная система задания и контроля терморегулирования, которая включает pit-регуляторы, обеспечивающие стабильность теплового режима в зонах экструзии. Специально спроектированные самоочищающиеся шнеки позволяют исключить наличие канцерогенов и твердых частиц в конечном продукте, что позволяет не проводить разборку и чистку экструзионной зоны установки при завершении работы.

Преимуществами экспериментального экструдера являются: простота конструкции и эксплуатации устройства; автоматическая система управления нагревом и охлаждением технологических зон; низкий уровень шума; регулирование частоты вращения двигателей экструдера, режущего устройства и дозатора с помощью частотных преобразователей.

Конструкция экструдера укомплектована бункером-накопителем сухой смеси, установленным над дозатором сухих компонентов объемом 1 м3; оснащена кондиционером и системой регистрации и запоминания параметров технологического процесса с выводом данных в реальном времени.

Методика экспериментальных исследований заключалась в следующем. Предварительно подготовленные полизлаковые смеси загружали в приемное устройство экструдера и далее подвергали экструдированию при фиксированных значениях частоты вращения рабочего органа и влажности смеси.

Эффективность работы экструдера контролировали путем регистрации следующих параметров: давления, создаваемого в пред-матричной зоне ( Р , МПа); температуры готового продукта на выходе из рабочей зоны ( t , °С); производительности экструдера ( Q , кг/ч); потребляемой мощности электропривода в процессе экструдирования ( N , кВт∙час).

Результаты исследований заносили в таблицы текстового процессора Microsoft Excel, далее на основе полученных данных строили графики зависимости Р , t , Q и N от переменных значений частоты вращения шнека экструдера n (мин^-1) и влажности экструдируемой полизлаковой смеси, W (%).

На рис. 1 приведена трехмерная модель, характеризующая зависимость давления в предматричной зоне двухшнекового экструдера от влажности мучной полизлаковой смеси и частоты вращения рабочего органа экспериментальной установки.

Анализ поведения трехмерной поверхности показал, что увеличение частоты вращения рабочего органа n с 80 до 250 мин^-1 приводит к увеличению значений давления в пред-матричной зоне. При этом влажность обрабатываемой мучной полизлаковой смеси снижает значения давления в предматричной зоне экструдера P в процессе экструдирования:

P = 220,7012 - 26,6439 w - 0,1053 n +

+ 0,0018 wn + 0,8829 w ² + 0,0004 n ²

Так, например, при влажности мучной полизлаковой смеси 12 % и частоте вращения шнека 80 мин^-1 значение Р составило 11,0 МПа. При W = 13,5 % и n = 80 мин^-1 значение Р составило 11,7 МПа. Увеличение влажности до 15 % приводило к увеличению значения Р до 12,0 МПа. Дальнейшее увеличение влажности до 18 % снижало значение давления до 11,45 МПа.

Рис. 1. Зависимость изменения давления в предмат-ричной зоне экструдера ( P , МПа) от влажности ( W , %) и частоты вращения рабочего органа ( n , мин ^-1 ): область, характеризующаяся давлением в предматричной зоне экструдера ( P , МПа): 1 – 20÷25; 2 – 15÷20; 3 – 10÷15

На рис. 2 приведена трехмерная модель, характеризующая зависимость температуры экструдата на выходе из рабочей зоны устройства от переменных значений влажности мучной полизлаковой смеси и частоты вращения рабочего органа установки.

Анализ поведения трехмерной поверхности показал, что увеличение частоты вращения рабочего органа (шнека) n с 80 до 250 мин^-1 приводит к увеличению значений температуры экструдата на выходе из рабочей зоны устройства ( t , °С). При этом влажность обрабатываемой мучной полизлаковой смеси незначительно изменяет значения t в процессе экструдирования. Так, например, при влажности мучной полизлаковой смеси 12 % и частоте вращения шнека 80 мин^-1 значение t составило 124,5 °С. При W = 13,5 % и n = 80 мин^-1 значение t составило 126,8 °С. Увеличение влажности до 15 % приводило к увеличению значения t до 130 °С. Дальнейшее увеличение влажности до 18 % снижало значение температуры экструдата на выходе из рабочей зоны устройства:

t = 153 ,8504 + 27,9326 w + 0,9686 n -

• -    0,0007 wn - 0,9712 w ² - 0,0005 n ² "

Аналогичные зависимости были получены при изменении значений частоты вращения рабочего органа с 120 до 250 мин^-1. Максимальное значение t составило 250 °С при частоте вращения рабочего органа n = 250 мин^-1.

На рис. 3 приведена трехмерная модель, характеризующая зависимость производительности двухшнекового экструдера от переменных значений влажности мучной полизлаковой смеси и частоты вращения рабочего органа установки.

t , ^оС

n , мин^-1

^16,5 W , %

Рис. 2. Зависимость изменения температуры экструдата на выходе из рабочей зоны устройства ( t , °С) от влажности ( W , %) и частоты вращения рабочего органа ( n , мин ^-1 ): область, характеризующаяся температурой экструдата ( t , °С): 1 – 200÷250; 2 – 150÷200; 3 – 100÷150

Анализ поведения трехмерной поверхности показал, что увеличение частоты вращения рабочего органа (шнека) n с 80 до 250 мин^-1 приводит к увеличению производительности двухшнекового экструдера ( Q , кг/час). При этом влажность обрабатываемой мучной полизлаковой смеси изменяет значения Q в процессе экструдирования. Так, например, при влажности мучной полизлаковой смеси 12 % и частоте вращения шнека 80 мин^-1 значение Q составило 140 кг/час. При W = 13,5 % и n = 80 мин^-1 значение Q увеличилось и составило 142 кг/час. Увеличение влажности до 15 % приводило к увеличению значения Q до 144 кг/час. Дальнейшее увеличение влажности до 18 % при n = 80 мин^-1 снижало значение производительности устройства до 135 кг/час:

Q = 95,8189 - 36,1631 w + 4,7981 n + + 0 wn + 0,9027 w ² - 0,0088 n 2 .

Аналогичные зависимости были получены при изменении значений частоты вращения рабочего органа с 120 до 250 мин^-1. При этом максимальное значение Q составило 450 кг/час при частоте вращения рабочего органа n = 250 мин^-1 и влажности мучной поли-злаковой смеси 15 %.

Q , кг/час

мин-1

¹² 13,5

^{,    15} 16,5

n ,

W , %

Рис. 3. Зависимость изменения производительности экструдера ( Q , кг/час) от влажности ( W , %) и частоты вращения рабочего органа ( n , мин ^-1 ): область, характеризующаяся производительностью экструдера ( Q , кг/час): 1 – 400÷450; 2 – 350÷400; 3 – 300÷350; 4 – 250÷300; 5 – 200÷250; 6 – 150÷200; 7 – 100÷150

На рис. 4 приведена трехмерная модель, характеризующая зависимость потребляемой мощности электропривода экструдера ( N , кВт/час) от переменных значений влажности мучной полизлаковой смеси и частоты вращения рабочего органа экспериментальной установки.

Анализ поведения трехмерной поверхности показал, что увеличение частоты враще-н и я рабочего органа (шнека) n с 80 до 250 мин^-1 приводит к увеличению потребляемой мощности электропривода экструдера ( N , кВт/час). При этом влажность обрабатываемой мучной полизлаковой смеси снижает значения N в процессе экструдирования.

Так, например, при влажности мучной полизлаковой смеси 12 % и частоте вращения шнека 80 мин^-1 значение N составило 29,5 кВт/час. При W = 13,5 % и n = 80 мин^-1 значение N составило 29,0 кВт/час. Увеличение влажности до 15 % приводило к снижению значения N до 28,8 кВт/час. Дальнейшее увеличение влажности до 18 % при n = 80 мин^-1 снижало потребляемую мощность электропривода устройства до 27,0 кВт/час:

N = 246,0047 + 32,4651 w + 0,5029 n -

• -    0,0018 wn - 1,1293 w ² - 0,0001 n ².

Рис. 4. Зависимость потребляемой мощности электропривода экструдера ( N , кВт/час) от влажности ( W , %) и частоты вращения рабочего органа ( n , мин ^-1 ): область, характеризующаяся расходом электроэнергии ( N , кВт/час): 1 – 100÷120; 2 – 80÷100; 3 – 60÷80; 4 – 40÷60; 5 – 20÷40

Аналогичные зависимости были получены при изменении значений частоты вращения рабочего органа с 120 до 250 мин^-1. При n = 120 мин^-1 и W = 12 % потребляемая мощность электропривода устройства составила 45,5 кВт/час. Увеличение n до 170 мин^-1 приводило к увеличению значения N до 64,5 кВт/час. Дальнейшее увеличение значений n до 250 мин^-1 приводило к увеличению N до 102 кВт/час. Максимальное потребление мощности электропривода составило 102,0 кВт/час при частоте вращения рабочего органа n = 250 мин^-1 и влажности обрабатываемого материала 12 %.

Таким образом, анализ полученных трехмерных поверхностей показал, что, во-первых, рабочие характеристики экструдера для всех значений частоты вращения шнека имеют одинаковый вид, т.е. с увеличением производительности давление в предматрич-ной зоне экструдера сначала растет, а затем с некоторого значения Q уменьшается. Это объясняется тем, что в режиме полностью закрытого выхода при Q = 0 давление в предматрич-ной зоне непрерывно нарастает, а в режиме открытого выхода Q = Qmax – непрерывно падает. В реальном же процессе экструзии с ростом производительности давление продукта достигает некоторой величины, максимально возможной для данных условий работы экструдера, а потом неуклонно снижается. Максимум на кривых смещается в сторону увеличения производительности.

Во-вторых, полученные зависимости давления и температуры продукта в предмат-ричной зоне экструдера от переменных параметров экструзионного процесса позволяют с достаточной точностью прогнозировать их изменение в исследованном диапазоне значений факторов. Анализ этих зависимостей позволяет сделать вывод о преобладающем влиянии учитываемых факторов на температуру и давление пищевой среды. А именно наибольшее влияние на давление расплава продукта оказывают конструктивные параметры экструдера (величина диаметра проходного сечения матрицы), а также технологические (начальная влажность смеси). При этом геометрические характеристики рабочего органа, частота (скорость) вращения шнека и давление продукта максимально влияют на температуру в пред-матричной зоне экструдера.

В-третьих, полученные зависимости позволяют выяснить доминирующее влияние каждого исследуемого фактора ( W , n ) на кинетические параметры и с достаточным приближением описать кинетику протекания процесса экструзии мучной полизлаковой смеси при производстве продуктов высокой степени готовности.