Повышение эффективности работы одношнекового экструдера для производства кормов на основе параметрического синтеза

• Автор: Зубкова, Татьяна Михайловна
• Шифр специальности: 05.20.01
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Оренбург
• Количество страниц: 360 с. : ил.

Содержание
Введение

1 Современное представление о технологии экструдирования.

1.1 Технология экструдирования и область ее применения в сельскохозяйственном производстве

1.1.1 Преимущества экструдированных кормов.

1.1.2 Технология экструдирования растительного сырья.

1.1.3 Теоретическое представление о процессе прессования биополимеров

1.1.4 Технология отжима жидкой фазы при экструдировании на примере растительного масла

1.2 Движение прессуемого материала в экструдере

1.3 Структура шнековых прессующих механизмов и особенности конструкции их рабочих органов
1.4 Влияние геометрических особенностей винтового канала на процесс переработки масличного сырья.
1.5 Реологические модели экструдируемых материалов.
1.6 Экспериментальные исследования процесса экструдирования
1.7 Цель и задачи исследования.
2 Математическое моделирование процесса экструдирования
2.1 Системные исследования для проектирования и оптимизации технологических объектов .
2.1.1 Формирование технических объектов на основе системного анализа.
2.1.2 Внешние и внутренние величины модели.
2.1.3 Основы метода композиционного проектирования.
2.1.4 Требования к математическим моделям для параметрического синтеза.
2.1.5 Векторная оптимизация параметров эффекта по методу рабочих характеристик
2.2 Формирование математической модели.
2.3 Кинематический расчет движения материала в каналах шнека.
2.4 Определение скорости проскальзывания экструдируемого материала по дну шнекового канала.
2.5 Кинематический расчет движения материала в кольцевых полостях шнекового прессующего механизма
2.5.1 Движение материала в компрессионном затворе
2.5.2 Движение материала в полостях утечек.
2.6 Кинематический расчет движения материала в цилиндрических фильерах матрицы.
2.7 Уравнения внутренней характеристики системы
2.8 Комплекс параметров эффекта шнекового прессующего механизма
2.8.1 Производительность шнекового прессаэкструдера.
2.8.2 Мощность сил полезного сопротивления шнекового прессующего механизма
2.8.3 Параметры эффекта, оценивающие нагрузки на рабочие органы прессующего механизма
2.8.4 Параметры эффекта, оценивающие качество вырабатываемого продукта
2.8.4.1 Путь смешивания продукта при экструдировании.
2.8.4.2 Характеристика качества гранул при экструдировании.
2.8.5 Коэффициент полезного действия прессующего механизма.
2.9 Выводы по главе
3 Методика вычислительного эксперимента
3.1 Вычислительный эксперимент как средство параметрического синтеза технологического объекта
3.2 Реализация программной системы.
3.2.1. Работа с реологическими параметрами.
3.2.2 Работа с конструктивными параметрами экструдера
3.2.3 Определение техникоэкономических параметров экструдера
3.2.4 Оптимизация и анализ конструктивных параметров экструдера
3.3 Идентификация математической модели
3.4 Тестирование модели на адекватность реальному объекту и программного средства на точность решения
3.5 Эксплуатация программного средства
3.6 Выводы к четвертой главе.
4 Экспериментальные исследования процесса экструдирования.
4.1 Экспериментальная установка, приборы и оборудование
4.2 Описание тензометрической системы измерения давлений в шнековом прессующем механизме.
4.3 Измерение температуры процесса экструдирования.
4.4 Верификация математической модели.
4.4.1 Экспериментальное определение рабочих характеристик прессаэкструдера.
4.4.2 Экспериментальные исследования влияния длины фильеры на производительность и мощность сил полезного сопротивления.
4.5 Определение осевого усилия по длине шнека.
4.6 Методика экспериментальных исследований масличного сырья
4.6.1 Методика проведения эксперимента. Отбор и обработка образцов
4.7 Использование вычислительного эксперимента.
4.7.1 Исследование влияния на процесс экструдирования насадки типа Торпедо
4.7.2 Анализ режимов эксплуатации одношнековых прессующих механизмов
4.8 Параметрический синтез одношнекового экструдера.
4.8.1 Оптимизация шнека экструдера.
4.8.2 Оптимизация экструдера при изменении высоты зазора утечек
4.8.3 Оптимизация экструдера при изменении компрессионного затвора и длины фильеры матрицы
4.9 Определение зависимости высоты слоя проскальзывания от влажности материала и скорости вращения шнека.
4. Выводы к четвертой главе.
5 Структурный синтез одношнекового экструдера.
5.1 Конструкции, повышающие производительность, надежность, эффективность работы одношнековых экструдеров и качество готовой продукции
5.2 Усгройство для исследования течения материала в условиях сложного сдвига
5.3 Ресурсосберегающие конструкции экструдеров
5.4 Расширение технологических возможностей экструдера
5.5 Выводы к пятой главе
6 Экономическое обоснование модернизации одношнекового экструдера
6.1 Внедрение научных результатов работы
6.2 Экономическое обоснование эффективности применения модернизированного оборудования
6.3 Экономическое обоснование применения средств автоматического проектирования одношнекового экструдера
6.4 Выводы к шестой главе.
Общие выводы и рекомендации.
Список используемых источников


В результате предложен ускоренный метод определения оптимального режима экструзии, позволяющий выявлять возможные малейшие ошибки в ходе эксперимента . Процесс экструзии классифицируют на три группы холодное формование холодная экструзия, теплая обработка и формование при низком давлении тепловая экструзия, тепловая обработка и формирование при высоком давлении горячая экструзия. При холодной экструзии происходят только механические изменения в сырье в результате его медленного перемещения и формования через матрицу. Теплота трения, возникающая при экструзии, отводится через охладительную систему для того, чтобы предотвратить нагрев продукта. При тепловом методе экструзии высокое давление и температура приводят к частичной или полной клейстеризации крахмального сырья. Полученный продукт экструдат отличается небольшой плотностью, увеличенным объемом, пластичностью, пористым строением. Горячее экструдирование осуществляется при высоких механических нагрузках, давлении и температуре. Здесь имеет место регулируемый подвод тепла извне, как непосредственно в продукт, так и через стенки корпуса экструдера. Такая обработка приводит к различным по глубине изменениям в сырье. При выходе массы из матрицы, в результате внезапного падения давления и температуры, происходит взрывание продукта и разрыхление его структуры, объем его значительно увеличивается. Горячее экструдирование сравнительно новый технологический процесс обработки кормовых и пищевых продуктов. Его применение позволяет расширить ассортимент и удешевить производство кормов для скота, продуктов быстрого приготовления, детского питания, закусок и др. Требования к экструдированным кормам постоянно растут. Активная работа в этом направлении проводится в Германии , в исследовательском институте кормоприготовительной техники. В качестве альтернативной технологии здесь предлагается так называемая экспансионная обработка зерновых с помощью специального оборудования экспандеров. Принцип действия экспандера аналогичен экструдеру, но выход продукта производится не сквозь отверстия матриц, а в кольцевой зазор, регулируемый с помощью гидравлической системы. Экспандер соответствует размерам кондиционера смесителя и состоит из толстостенного цилиндрического корпуса, разделенного на сегменты. В нем установлен вал, на котором смонтированы смесительномесильные рабочие органы из стального литья. В корпусе имеются определенное число паровых сопел и стопорных болтов, а также температурные датчики и термометр. Экспандер рекомендуется использовать в линии гранулирования для тепловой обработки корма перед прессованием, а также как самостоятельную машину при получении крупки. В отличие от экструдера протекание процессов в экспандере более щадящее, что обеспечивает сохранность витаминов, аминокислот и других биологически активных веществ ,. Термопластическая экструзия биополимеров белки, крахмал и др. Поэтому экструдирование пищевого и кормового сырья имеет много общего с экструдированием пластмасс. Процесс прессования в шнековых прессах происходит следующим образом. В загрузочной воронке материал начинает медленное и неустойчивое движение вниз, которое сопровождается многократным столкновением частиц друг с другом и их кратковременными зависаниями в своде, что вызывает перебои питания последующих зон пресса , . Это продолжается до тех пор, пока частицы не достигнут зоны максимального сужения горловины питающего отверстия экструдера. По мере движения по уменьшающемуся каналу, ограниченному лопастями шнека и поверхностью цилиндрической камеры соседние частицы оказывают давление друг на друга, и расстояние между ними постепенно уменьшается. Поверхность камеры оказывает интенсивное тормозящее воздействие, в то время как трение о поверхность шнека приводит к возникновению силы трения, направленной вдоль винтового канала. Эти процессы приводят к выделению тепла и повышению температуры, особенно у стенки камеры. Экструзионное сырье может переходить в вязкотекучее состояние, которое называется расплавом. Твердый материал перемещается по каналу шнека за счет напряжений сдвига, возникающих в пленке расплава.