Экструдеры

Экструдер состоит из нескольких основных узлов — корпуса, оснащенного нагревательными элементами, рабочего органа (шнека, диска, поршня), размещенного в корпусе, узла загрузки перерабатываемого продукта, привода, системы задания и поддержания температурного режима и других контрольно-измерительных и регулирующих устройств.

 Наибольшее распространение в промышленности получили шнековые экструдеры. Захватывая исходный продукт, шнек перемещает его от загрузочного устройства вдоль корпуса экструдера. При этом продукт сжимается, разогревается, пластифицируется и гомогенизируется. Давление в экструдере достигает 15... 100 МПа. По частоте вращения шнека экструдеры подразделяют на нормальные и быстроходные с окружной скоростью соответственно до 0,5 и 7 м/мин, а по конструктивному исполнению — на стационарные и с вращающимся корпусом, с горизонтальным и вертикальным расположением шнека.

Существуют экструдеры со шнеками, осуществляющими не только вращательное, но и возвратно-поступательное движение. Для эффективной гомогенизации продукта на шнеках устанавливают дополнительные устройства — зубья, шлицы, диски, кулачки и др. В последнее время получают распространение планетарно-вальцовые экструдеры, у которых вокруг центрального рабочего органа (шпинделя) вращается несколько дополнительных шнеков (от 4 до 12). Принцип действия дискового экструдера основан на использовании возникающих в упруговязком материале напряжений, нормальных к сдвиговым. Основу конструкций такого экструдера составляют два плоскопараллельных диска, один из которых вращается, создавая сдвиговые и нормальные напряжения, а другой неподвижен. В центре неподвижного диска имеется отверстие, через которое выдавливается размеченный материал. Поршневой экструдер из-за низкой производительности используют ограниченно, в основном для изготовления труб и профилей из реактопластов.

Конструкции экструдеров могут быть классифицированы также по геометрической форме, механическим, функциональным или термодинамическим характеристикам. Кроме того, экструдеры рекомендуется классифицировать по их физическим признакам, поскольку они оказывают влияние на химические структурные характеристики экструдированных продуктов. Особое значение имеют такие параметры, как уклон режущей кромки матрицы и количество тепловой энергии, образующейся в процессе экструдирования за счет механического преобразования энергии; температура во время ведения процесса; влажность экструдируемой массы.

При переработке пищевых продуктов наибольшее распространение получили экструдеры со шнеками полного зацепления, вращающимися в одном направлении, когда вершины одного шнека взаимодействуют с впадинами другого.

В двухшнековых самоочищающихся экструдерах обеспечиваются более быстрый пуск шнека и работа на повышенной скорости. В них реже возникают подъемы давления, так как не происходит накопление продукта. В одношнековых экструдерах, вследствие того, что продукт может оставаться в витках и накапливаться, создавая разрывы потока, подъемы давления бывают чаще. В результате продукт из экструдера выпускается неравномерно.

Однако предполагается, что в одношнековом экструдере износ шнека концентрируется по наружной кромке к торцу его витков, и это обеспечивает восстановление шнека.

Двухшнековый экструдер более подвержен износу. Изнашиваются шнеки в местах загрузки и выгрузки продукта. В этой связи свойства конечного продукта и эффективность процесса экструдирования в большой степени зависят от износа рабочих органов машины при обработке в двухшнековом экструдере. При использовании двухшнекового экструдера не требуется предварительной гидротермической обработки продукта, что упрощает производственный процесс. Гидролиз крахмала пшеничной муки протекает гораздо эффективнее в двухшнековом экструдере, чем в одношнековом. В двухшнековом экструдере зоны пластификации и повышения давления отделены друг от друга, что позволяет независимо осуществлять пластификацию и экструдирование продукта. Известно, что затраты, связанные с приобретением одношнековых экструдеров, ниже по сравнению с затратами на приобретение двухшнековых машин. Однако последние компенсируются меньшими эксплуатационными расходами. Высокие расходы по эксплуатации одношнековых машин связаны с длительными простоями при чистке, большими трудозатратами и объемом работ по обслуживанию.

Сравнение конструктивных и технологических достоинств одношнековых и двухшнековых экструдеров показывает значительное преимущество последних.

Материал для матриц должен быть коррозионно-стойким, обладать антиадгезионными свойствами и высокой прочностью. Чтобы снизить прилипаемость формуемого продукта, отверстия полируют и хромируют. Широко применяют в настоящее время матрицы, состоящие из металлической обоймы и сменных вставок. Вставки представляют собой сменные гильзы с формующими отверстиями, изготовляются из пластмасс с сильно выраженными антиадгезионными свойствами.

Форма и размер предматричной камеры зависят от свойств перерабатываемого продукта, типа и размеров нагнетающего механизма и должны способствовать выходу выпрессовываемой массы через каналы матрицы с возможно более равномерной скоростью, а также препятствовать образованию застойных зон. Формование экструзией имеет ряд преимуществ: непрерывность осуществления процесса с высокой скоростью, безотходность технологии и высокая культура производства.

Машина А1-КХП (рис.) предназначена для формования палочек из кукурузной крупы тепловой и механической обработкой.

Рис. Машина А1-КХП

Машина состоит из станины 1, бункера 7, корпуса подшипника 9, цилиндра 3, механизма резки 4, вариатора, щита управления с нагревателями. Машина имеет два индивидуальных привода: для шнека и механизма резки.

На верхней плите сварной станины установлен электродвигатель 8 привода шнека, соединенный через муфту с быстроходным валом редуктора 10. Последний, в свою очередь, с помощью муфты соединяется с валом корпуса подшипника. В литом корпусе подшипника установлен вал, вращающийся в радиальных подшипниках качения. Для восприятия осевой нагрузки от формующего шнека в корпусе установлен упорный шарикоподшипник.

К корпусу подшипника фланцем крепится сварной цилиндр с расположенным внутри него шнеком. С противоположной стороны цилиндр закрыт матрицей. Температура в рабочей зоне контролируется термопарами, введенными в зону через пробку 5. Для нагрева кукурузной массы в передней части цилиндра укреплен блок электронагревателей 6.

У переднего торца матрицы расположен механизм резки с вращающимися ножами, который приводится в движение от отдельного электродвигателя через бесступенчатый вариатор. Электродвигатель и вариатор находятся внутри станины. Частота вращения вариатора регулируется рукояткой 2, установленной в непосредственной близости от панели управления. Для удобства обслуживания механизм резки отводится в сторону.

Над цилиндром установлен бункер для приема кукурузной крупы. Кукурузная крупа из бункера машины через регулируемую заслонку поступает в приемное отверстие цилиндра, где происходит прессование продукта и нагрев до температуры 145 °С.

В результате воздействия тепла, влаги и давления крупа превращается в пластическую массу, которая выдавливается шнеком через отверстия матрицы. При выходе из отверстий матрицы масса под действием пара, образующегося из перегретой влаги, вспучивается, образуя пористую хрустящую жилу. Механизм резки делит выходящие жилы на палочки, которые уносятся конвейером.

Порция крупы (1,5... 2,0 кг при температуре в цилиндре 80... 145 °С) приготовляется за 30...60 мин до пуска машины.

Режим нагрева цилиндра подбирается для каждой машины индивидуально в зависимости от сорта, помола, влажности крупы и степени износа.

Техническая характеристика экструдера А1-КХП приведена в табл.

Машина Б8-КХ-ЗП (рис.) предназначена для производства палочек из кукурузной крупы посредством ее тепловой и механической обработки с последующей фасовкой на других автоматах.

Рис. Машина Б8-КХ-ЗП

Машина состоит из станины 1, формующего механизма 2, механизма 5 отрезки палочек по длине, ворошителя 3 кукурузной крупы, блока электронагревателей 4.

Формующий механизм состоит из охватываемого шнека с правой нарезкой, шнековой втулки с левой нарезкой, матрицы с двенадцатью отверстиями диаметром 3 мм, обоймы с четырьмя отрезными ножами, приводимой во вращение через цепную и клиноременную передачи от электродвигателя.

Ворошитель представляет собой корпус, внутри которого вращается вал с лопастями, перемешивающий поступающую из бункера крупу.

Блок электронагревателей предназначен для нагрева рабочей зоны машины в период пуска и автоматического под держания постоянной температуры от 160 до 180 °С. Во избежание перегрева машины в зоне загрузки предусматривается принудительное водяное циркуляционное охлаждение корпуса формующего механизма с подключением к сети водоснабжения.

Схемой машины предусмотрено ручное управление электроприводами шнека и ножа, а также ручное и автоматическое управление блоком нагревателей.

Перед пуском машины производится нагрев рабочей зоны формующего механизма в течение 30...35 мин до 160... 180 °С с помощью блока электронагревателей. За 25.. .30 мин до пуска машины готовится первая порция крупы влажностью 20.. .21 %. Подготовленная крупа по специальному лотку вручную засыпается небольшим потоком в отверстие зоны загрузки при включенной машине. После выхода палочек из формующей матрицы открывается заслонка, и в машину поступает крупа влажностью 13... 14 %.

Нагрев продукта в момент запуска происходит за счет теплопередачи, а в дальнейшем — за счет тепла, образующегося в результате трения между продуктом, шнеком и шнековой втулкой. Выпрессованная полужидкая масса за счет перепада давления при выходе из отверстия формующей матрицы взрывается с диаметра 3 мм до диаметра 8... 12 мм.

Таблица. Техническая характеристика экструдеров

Показатель	А1-КХП	Б8-КХ-ЗП
Производительность, кг/ч	75	90
Мощность, кВт:
привода	21	18,5
электронагревателя	3,84	2,8
Число шнеков	1	1
Частота вращения шнеков, мин"1	71	79,3
Диаметр шнеков, мм	155	74
Максимальная температура в зоне нагрева, "С	145	160...180
Максимально допустимое давление экструзии, МПа	10	12
Габаритные размеры, мм	1750x890x1635	1200x1200x1900
Масса, кг	1300	950

Экструдер МФБ-1 (рис.) состоит из плиты 15, станины 1 с кронштейном 12, электродвигателя 14, червячного редуктора 13, корпуса 4 со шнеком 3 и формующей матрицей 2, головки 7 с парой конических шестерен 8 и загрузочной воронки 5 со спиралью 11.

Рис. Шнековый экструдер МФБ-1

Внутри головки 7 находятся горизонтальный вал 9 с конической шестерней и приводной звездочкой 10, вертикальный вал 6 с конической шестерней и спиралью. Спираль 11 подает конфетную массу в корпус 4 и непрерывно перемешивает ее в загрузочной воронке 5. Шнек 3 выпрессовывает массу через формующие каналы матрицы 2 в виде пяти бесконечных жгутов, которые после предварительного охлаждения разрезаются на конфеты.

Техническая характеристика экструдера МФБ-1 приведена в табл.

Двухшнековый экструдер поточных линий ШФК (рис.) отличается от экструдера МФБ-1 наличием двух горизонтальных шнеков, находящихся в самостоятельных камерах. Шнеки нагнетают массу в общую предматричную камеру 3. Масса выходит через шесть или восемь формующих каналов. Частота вращения спирали в загрузочной воронке 2 изменяется бесступенчатой рукояткой 1. Нагнетающие шнеки имеют постоянную частоту вращения. При переходе с формования жгутов круглого сечения на прямоугольные шнеки заменяют.

Рис. Шнековый экструдер ШФК

В шнековых экструдерах скорости выхода жгутов через формующие каналы неодинаковы. Для выравнивания скоростей увеличивают длину средних формующих каналов по сравнению с крайними, устанавливают дополнительные сопротивления перед средними каналами или в самих каналах либо устанавливают более высокую температуру стенок крайних формующих каналов. Добиться полного равенства скоростей во всех каналах весьма трудно.

Техническая характеристика экструдера приведена в табл.

Экструдер ШВФ-22 (рис.) предназначен для выдавливания конфетной массы при производстве пралиновых конфет.

Рис. Экструдер ШВФ-22

Он имеет в предматричной камере перегородки, образующие секции у каждого выходного отверстия. Это выравнивает скорости у выдавливаемых жгутов. Бункер 1 укреплен на корпусе питателя 2 с расположенными в нем рифлеными валками 3. В корпусе нагнетателя 4 вращаются нагнетающие шестеренные роторы 5, выполненные из набора шестерен. Предматричная камера 7 имеет вертикальные формующие каналы 8. В нижней части корпуса нагнетателя и предматричной камеры имеются вертикальные перегородки 6, которые делят корпус и камеру на отдельные секции.

Бункер, корпус нагнетателя и нагнетатель, а также предматричная камера имеют рубашки для обогрева.

Конфетная масса вытягивается из бункера рифлеными валками 3 и равномерно подается по всей длине шестеренных роторов 5. Они нагнетают массу в предматричную камеру 7 и из нее через формующие каналы 8 выдавливаются жгуты 9 пралиновой массы.

Техническая характеристика экструдера ШВФ-22 приведена в табл.

Таблица. Техническая характеристика экструдеров

Показатель	МФБ-1	ШФК	ШВФ-22
Производительность, кг/ч	325	150...310	1000
Число отверстий в матрице	5	6	22
Потребная мощность, кВт	1,7	2,8	2,8
Габаритные размеры, мм	1250x845x1640	1365x775x2100	1000x1160x2980
Масса, кг	410	955	1220