В результате изучения процесса экструдирования мучной полизлаковой смеси на промышленном двухшнековом экструдере получили зависимости рабочих параметров процесса от переменных значений частоты вращения шнека экструдера n, (мин-1) и влажности экструдируемой полизлаковой смеси, W (%). Полученные зависимости адекватно описывают протекание технологического процесса экструзии полизлаковой смеси. Полученные результаты будут иметь практическое значение при построении технологической схемы производства продуктов высокой степени готовности.
Ұнды полидәнді қоспаның экструдацияланған үрдісің зерттеу нәтижесінде өндірістік екішнекті экструдерде жұмыс параметрлер үрдісінің n экструдер шнегінің айналу жиілігіне, w полидәнді қоспаның дымқылдылығына тәуелді екені анықталды. Алынған нәтижелер полидәнді қоспаның экструзиясының технологиялық үрдісін толықтай адекватты түрде сипаттайды. Алынған нәтижелер жоғары дарижелі тағамдарды өндірудегі технологиялық сызба жасауда практикалық маңызы зор болады.
As a result of study of the process of extrusion of flour poly-cereal mixture on industrial twin strew extruder there has been received dependence of working parameters of the process on variables of frequency of rotations of extruder screws n, (turns/min) and moisture of poly-cereal mixtures, W%. Obtained results will have practical significance when technological scheme of manufacturing of readymade products is made up.
Важнейшей задачей пищевой промышленности является разработка научных, теоретических и практических основ получения новых форм продуктов питания на зерновой основе, как качественно нового направления - расширение ассортимента производства продовольственных продуктов на зерновой основе [1-3].
Одним из перспективных направлений развития техники и технологии производства продуктов питания на зерновой основе является повышение степени готовности, путем экструдирования мучной смеси. В этой связи изучение процесса экструдирования полизлаковой смеси является актуальной и своевременной задачей.
Экспериментальные исследования по изучению процесса экструдирования проводили на промышленном двушнековом 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.
Преимуществом экспериментального экструдера является:
- 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, который устанавливается над дозатором сухих компонентов объемом 1 м3;
- конструкция экструдера оснащена кондиционером;
- устройство оснащено 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:
- давление создаваемое в предматричной зоне (Р, мПа);
- температура готового продукта на выходе из рабочей зоны (t, oС);
- производительность экструдера (Q, кг/ч);
- потребляемая мощность электропривода в процессе экструдирования (N, кВт∙час).
Полученные результаты экспериментальных исследований заносили в таблицы текстового процессора Microsoft Exel, далее на основе полученных данных строили графики зависимости давление создаваемое в предматричной зоне (Р, мПа), температура готового продукта на выходе из рабочей зоны (t, oС), производительность экструдера (Q, кг/ч), потребляемая мощность электропривода в процессе экструдирования (N, кВт∙час), от переменных значений частоты вращения шнека экструдера n, (мин-1) и влажности экструдируемой полизлаквой смеси, W (%).
|
 |
|
2 - область, характеризующаяся давлением в предматричной зоне 15-20 мПа;
3 - область, характеризующаяся давлением в предматричной зоне 10-15 мПа
Рис. 1 - Зависимость изменения давления в предматричной зоне экструдера (P, мПа) от влажности (W, %) и частоты вращения рабочего органа (n, мин-1)
Анализ поведения трехмерной поверхности показал, что с увеличением частоты вращения рабочего органа n с 80 до 250 мин-1 приводит к увеличению значений давления в предматричной зоне. При этом влажность обрабатываемой мучной полизлаковой смеси снижают значений P в процессе экструдирования. 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 значений Р до 12,0 мПа. Дальнейшее увеличение влажности до 18% снижало значения давления до 11,45 мПа.
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 экспериментальной установки.
1 - область, характеризующаяся температурой экструдата 200-250 оС;
2 - область, характеризующаяся температурой экструдата 150-200 оС;
3 - область характеризующаяся температурой экструдата 100-150 оС
Рис. 2 - Зависимость изменения температуры экструдата на выходе из рабочей зоны устройства (t, оС) от влажности (W, %) и частоты вращения рабочего органа (n, мин-1)
Анализ поведения трехмерной поверхности показал, что с увеличением 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, оС). При этом влажность обрабатываемой мучной полизлаковой смеси изменяют 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 оС. При W=13,5% и n=80 мин-1 значениеt составило 126,8 оС. Увеличение влажности до 15% приводило к увеличению значений Р до 130 оС. Дальнейшее увеличение влажности до 18% снижало значения температуры экструдата на выходе из рабочей зоны устройства. Аналогичные зависимости были получены при изменении значений частоты вращения рабочего органа с 120 до 250 мин-1.
Максимальные значения t - 250 оС составили при вращении 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 экспериментальной установки.
1 - область, характеризующая производительность экструдера 400-450 кг/час;
2 - область, характеризующая производительность экструдера 350-400 кг/час;
3 - область, характеризующая производительность экструдера 300-350 кг/час;
4 - область, характеризующая производительность экструдера 250-300 кг/час;
5 - область, характеризующая производительность экструдера 200-250 кг/час;
6 - область, характеризующая производительность экструдера 150-200 кг/час;
7 - область, характеризующая производительность экструдера 100-150 кг/час
Рис. 3 - Зависимость изменения производительности экструдера (Q, кг/час) от влажности (W, %) и частоты вращения рабочего органа (n, мин-1)
Анализ поведения трехмерной поверхности показал, что с увеличением 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 изменяют 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 значений Q до 144 кг/час. Дальнейшее увеличение влажности до 18% при n=80 мин-1 снижало значения производительности устройства до 135 кг/час. 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 вращении рабочего органа n=250 мин-1 и влажности мучной полизлаковой смеси 15%.
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.
 |
1- область, характеризующая расход электроэнергии 100-120 кВт/час;
2- область, характеризующая расход электроэнергии 80-100 кВт/час;
3- область, характеризующая расход электроэнергии 60-80 кВт/час;
4- область, характеризующая расход электроэнергии 40-60 кВт/час;
5- область, характеризующая расход электроэнергии 20-40 кВт/час;
Рис. 4 - Зависимость потребляемой мощности электропривода экструдера (N, кВт/час) от влажности (W, %) и частоты вращения рабочего органа (n, мин-1)
Анализ поведения трехмерной поверхности показал, что с увеличением частоты вращения 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 снижают 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 значений 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. 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 значений N до 64,5 кВт/час. Дальнейшее увеличение значений n до 250 мин-1 приводило к увеличению N до 102 кВт/час. Максимальные потребление мощности электрического привода составило 102,0 кВт/час при частоте вращении рабочего органа n=250 мин-1 и влажности обрабатываемого материала 12%.
Анализ полученных трехмерных поверхностей показал, что рабочие характеристики экструдера для всех значений частоты вращения шнека имеют одинаковый вид, т.е. с увеличением производительности давление в предматричной зоне экструдера сначала растет, а затем с некоторого значения Q уменьшается. Очевидно, что в режиме полностью закрытого выхода при Q= 0 давление в предматричной 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 увеличение производительности.
Зависимости давления и температуры продукта в предматричной зоне экструдера от переменных параметров экструзионного процесса позволяют с достаточной точностью прогнозировать их изменение в исследованном диапазоне значений факторов. Их анализ позволяет сделать заключение о преобладающем влиянии учитываемых факторов на температуру и давление пищевой среды: наибольшее влияние на давление расплава продукта оказывают конструктивные параметры экструдера (величина диаметра проходного сечения матрицы), а также начальная влажность смеси; геометрические характеристики рабочего органа, частота (скорость) вращения шнека и давление продукта максимально влияют на температуру в предматричной зоне экструдера. Они позволяют выяснить доминирующее значение 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.
Литература:
1. Платов, К.В. Научное обеспечение процесса получения зерновых палочек на одношнековом экструдере: Дис. ... канд. техн. наук: 05.18.12 Воронеж, 2004.
2. Оспанов А.А., Муслимов Н.Ж., Джумабекова Г.Б., Омаров К.К., Шарип М.Т. Пути повышения конкурентоспособности крупяной промышленности Аналитический обзор.- Астана: ЦНТИ, 2006.- 42 с.
3. Спандияров Е.С., Горбатовская Н.А., Байхожаева Б.У., Ахметова Г.В. Технология продуктов длительного хранения. - Издательский комплекс ТарГУ, Тараз 2000. - 121 с.
