Моделирование процесса экструдирования как объекта управления при переработке материалов растительного происхождения

• Автор: Насыров, Александр Шакурович
• Шифр специальности: 05.13.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Оренбург
• Количество страниц: 178 с.

Содержание
Введение.
1 Современное состояние и основные направления развития техники и технологии процесса экструдирования.
1.1 Технология экструдирования и ее применение в пищевой промышленности и сельском хозяйстве
1.2 Структура шнековых прессующих механизмов и особенности конструкции их рабочих органов
1.3 Современное состояние теоретических и экспериментальных исследований процесса экструзии
1.4 Современные методы решения задач управления сложными технологическими объектами .Л.

1.5 Цель и задачи исследования

2 Математическое моделирование процесса экструдирования материалов растительного происхождения

2.1 Движение материала в канале шнека

2.2 Движение материала в кольцевых полостях шнекового прессующего механизма.

2.3 Движение материала в цилиндрических фильерах матрицы .
2.4 Уравнения внутренней характеристики
2.5 Моделирование процесса экструзии в условиях отжима жидкой фазы из прессуемого материала
2.6 Комплекс параметров эффекта процесса экструдирования .
2.6.1 Производительность шнекового прессаэкструдера
2.6.2 Мощность сил полезного сопротивления шнекового прессующего механизма.
2.6.3 Параметры эффекта, оценивающие нагрузки на рабочие органы прессующего механизма
2.6.4 Параметры эффекта, оценивающие качество вырабатываемого продукта.
2.6.5 Коэффициент полезного действия прессующего механизма.
2.7 Алгоритмизация.
2.8 Выводы по главе
3 Методика экспериментальных исследований процесса
экструдирования
3.1 Экспериментальная установка, приборы и оборудование, применяемые при исследованиях
3.2 Материалы, применяемые при исследованиях
3.3 Описание тензометрической системы измерения давления в шнековом прессующем механизме
3.3.1 Методика тензометрических измерений .
3.3.2 Расчет нормальных напряжений в материале по осевым усилиям во фланцах .
3.4 Методика проведения эксперимента. Отбор и обработка
результатов
3.4.1 Измерение температуры экструдируемого материала .
3.4.2 Измерение угловой скорости шнека.
3.4.3 Определение мощности сил полезного сопротивления в шнековом прессующем механизме
3.4.4 Измерение производительности экструдера .
3.5 Анализ образцов и оценка качества процесса.
3.6 Методика вычислительного эксперимента .
3.7 Выводы по главе
4 Экспериментальные исследования по идентификации и верификации
математической модели процесса экструдирования
4.1 Экспериментальные исследования по идентификации математической модели .
4.2 Экспериментальные исследования по верификации
математической модели .
4.3 Обоснование оптимальных параметров процесса экструдирования комбикормов методом вычислительного эксперимента
4.3.1 Построение рабочих характеристик процесса экструдирования .
4.3.2 Оптимизация режима процесса экструдирования комбикормов
4.4 Выводы по главе .
5 Реализация результатов исследования .
5.1 Постановка задачи управления одношнековым прессомэкструдером
5.2 Разработка программного обеспечения для моделирования и оптимизации процесса экструдирования растительных материалов в одношнековых механизмах
5.3 Экономическое обоснование разработки
5.4 Выводы по пятой главе
Общие выводы по работе.
Список использованных источников


Наименее изученным и наиболее перспективным для кормоприготовления является процесс теплой экструзии, позволяющий добиться глубокой переработки полуфабриката при энергосберегающем режиме ведения технологического процесса экструдирования. Известно, что термопластическая пищевая экструзия, или экструзия биополимеров возникла на основе экструзионной переработки синтетических полимеров 8. В процессе экструзионной обработки перерабатываемый материал подвергается целому ряду фазовых превращений из хрупкого стеклообразного состояния в высокоэластичное и затем в вязкотекучее 1. Большинство одношнековых экструдеров, применяемых в промышленной переработке материалов растительного происхождения, являются пластицирующими, то есть перерабатываемое сырье загружают в них в виде твердых частиц. Основным рабочим органом экструдера является шнек. Он забирает непластицированный материал, поступающий под действием сил тяжести к загрузочному отверстию. Далее в канале шнека частицы транспортируются и сжимаются за счет сил трения, плавятся или пластицируются под действием сил трения, затем равномерно подаются в виде гомогенного расплава к головке. Наряду с плавлением происходят процессы генерирования давления и смешивания материала. Продвигаясь по каналу шнека, материал разогревается за счет работы сил внутреннего трения, возникающих вследствие больших деформаций сдвига, которые обеспечивают гомогенизацию, также может иметь место подвод тепла извне ,. По характеру процессов, процессов протекающих на каждом участке шнека его обычно можно разделить по длине на три основные зоны зона питания или загрузочная зона, зона сжатия или зона плавления пластикации и дозирующая зона или зона смешивания. В зону питания продукт попадает обычно при комнатной температуре в дисперсном состоянии. По мере продвижения вдоль шнекового канала продукт уплотняется и вследствие работы сил трения, препятствующих его движению, происходит нагрев до температуры, изменяющейся от до С. При такой температуре и содержании воды до биополимеры пластифицируются и переходят из стеклообразного состояния в высокоэластическое . При горячем экструдировании за зоной пластификации образуется зона плавления, в которой в результате деформации температура обычно поддерживается в пределах от 0 до 0 С, материал переходит в вязкотекучее состояние, образуя расплав биополимеров. Под действием высокой температуры обработки, значительных механических усилий и содержания влаги в результате сжатия и сдвига происходит разрушение полимерной структуры основных компонентов крахмалосодержащего сырья денатурация нативных нежелатинизированных белков и желатинизация крахмалов. При этом кристаллические области способных к кристаллизации биополимеров, например амилозы и амилопектина в составе крахмала, плавятся, а аморфные переходят из неупорядоченного высокоэластического состояния в вязкотекучее. В зоне дозирования завершаются процессы перехода биополимеров в вязкотекучее состояние. В начале зоны дозирования температура материала практически равна температуре плавления. Продвигаясь в зоне дозирования, продукт продолжает разогреваться до температуры экструзии. При1 этом разогрев происходит за счет тепла, выделяющегося вследствие интенсивной деформации сдвига. Одновременно идет процесс гомогенизации расплава. Происходит окончательное расплавление мелких не расплавившихся в зоне плавления включений и выравнивание температурного поля 8,,. Наиболее интенсивно структурообразование расплавов биополимеров протекает под действием сил сдвига и сжатия в головке экструдера пространстве между концом шнека и матрицей, занятом обычно насадкой типа Торпедо и фильере, что обусловлено изменением реологических условий течения в этих зонах. В зависимости от конструкции фильеры можно получать экструдаты всех трех типов структур пористой, волокнистой и однородной макроструктуры. Волокнистые и однородные макроструктуры получают, используя специально охлаждаемые фильеры с отношением длины к диаметру значительно больше единицы. В них происходит постепенное охлаждение расплава биополимеров температура ниже 0 .