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技術(shù)文章
擠壓膨化機的特性與工作原理：
閱讀：5196 發(fā)布時間：2010-9-6
（一）、擠壓膨化機加工技術(shù)的特性：
特性：現(xiàn)代擠壓膨化技術(shù)的擠壓膨化腔可認為是一個較為特殊的連續(xù)反應(yīng)器。飼料在反應(yīng)器內(nèi)（擠壓膨化腔內(nèi)），在高溫（120～160℃以上）、高壓（4～10MPa）狀態(tài)下經(jīng)強烈的擠壓、剪切、摩擦、混合、擠出使飼料中的淀粉糊化、蛋白變性，物料之間的各組分產(chǎn)生強烈的物理和物理化學(xué)變化、物料在宏觀和微觀結(jié)構(gòu)上都產(chǎn)生了具大變化。同時飼料經(jīng)高溫、高壓在擠壓反應(yīng)器內(nèi)有高的水分，使各種抗?fàn)I養(yǎng)因子的活性能得到較有效的鈍化、有害病菌較能*滅活。從而，使擠壓膨化機的成品具有良好的耐水性和穩(wěn)定性、易消化、吸收效率高、含菌率低、安全性好等特點。調(diào)整擠壓膨化機有關(guān)參數(shù)可生產(chǎn)出各種性能的沉性、浮性和半浮性等水產(chǎn)飼料，這類飼料符合魚蝦水生動物的使用特點和要求。與此同時，擠壓膨化機還能用于改善和提高飼料原料的使用價值。因此，現(xiàn)代擠壓膨化機所生產(chǎn)的水產(chǎn)飼料質(zhì)量是其他飼料成型機械*的?？梢哉f現(xiàn)代擠壓膨化機在飼料加工業(yè)中的運用前景必將是極為廣闊。
雖然優(yōu)良的擠壓膨化機設(shè)備投資較其他成型機械要高，操作管理水平要求嚴(yán)格，動耗要高于其他成型機械。由于，現(xiàn)代擠壓膨化機的特點和功能相比遠優(yōu)于其他成型機械。所以，現(xiàn)代的擠壓膨化機的得到了廣大飼料工作者，特別是水產(chǎn)飼料的工作者厚愛。
（二）、擠壓膨化機工作原理：
擠壓膨化機的擠壓加工理論自擠壓膨化機問世以來，國內(nèi)外科技工作者對其工作原理就一直不斷的進行研究，并得到大量的研究成果，論述了飼料在擠壓腔內(nèi)的擠壓過程及物理和物理化學(xué)變化。但至今還沒有一種完整的、全面的、系統(tǒng)的擠壓膨化機擠壓理論來指導(dǎo)設(shè)計和生產(chǎn)。由于飼料擠壓膨化機工作過程有三十余個變量，而且各因素之間又互相影響。為此，飼料在擠壓過程的變化十分復(fù)雜，難以進行較可靠的定量分析，不能用一個或幾個公式能完整表達擠壓膨化機在擠壓膨化過程中的理論。目前擠壓膨化機每一步的發(fā)展，都在現(xiàn)有的擠壓理論基礎(chǔ)上，靠大量的試驗才能獲得到該條件下的較好的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)。雖現(xiàn)有擠壓膨化機的擠壓理論不夠完整、全面、系統(tǒng)，但對擠壓膨化機工作過程（見圖1）的分析，仍有較好的作用，具有定性的和一定范圍的定量作用，有較好的指導(dǎo)意義?，F(xiàn)有zui常用的擠壓膨化機的擠壓理論，主要是飼料在擠壓腔內(nèi)經(jīng)擠壓、剪切、摩擦、混合過程中飼料呈現(xiàn)出塑性流動性，使飼料外觀和微觀結(jié)構(gòu)上都產(chǎn)生了具大變化，即產(chǎn)生了物理及物理化學(xué)變化。根據(jù)這變化為依據(jù)，提出以下兩種擠壓膨化理論：1飼料在擠壓腔內(nèi)溶融（揉合）體根據(jù)物料機械輸送、熱力學(xué)、流變學(xué)為基礎(chǔ)建立和提出的喂料輸送理論、溶融（揉合）理論、溶融（揉合）熟化（組織化）理論。2以螺桿特性線、膜頭特性線及擠壓膨化機的工作特性圖為基礎(chǔ)的理論。現(xiàn)對這些理論來進行簡單討論。
a
b
圖1 a，b 擠壓膨化機工作過程
1、擠壓膨化機輸送溶融揉合工作原理：
從圖1看出飼料在擠壓膨化機的工作過程，分為喂料（固體）輸送區(qū)、揉合（溶融）區(qū)及揉合（溶融）熟化（組織化）成型區(qū)。為此，擠壓膨化機工作原理從這三個區(qū)為單位進行討論。
1）、喂料（固體）輸送區(qū)及其理論分析：
調(diào)質(zhì)后的飼料進入膨化腔內(nèi)的螺桿輸送區(qū)，該區(qū)主要功能為：（1）、是向溶融區(qū)輸送飼料，物料處于固體狀態(tài)。（2）、對飼料壓縮，加熱，飼料密度開始增加。飼料在進入膨化腔內(nèi)的螺桿輸送區(qū)，飼料開始向揉合區(qū)方向輸送，飼料在螺桿螺紋斜面推力下既作軸向運動，又作周向運動，實際飼料運動軌跡是作螺旋運動。由于螺桿螺距由大變小，所以，飼料既有螺旋運動又在逐步壓縮。
喂料（固體）輸送段輸送產(chǎn)量的關(guān)系式如下：
QS=π2 nh1D（D－h(huán)1）（b/b+e）tanψtanφ/tanψ+tanφ
QS：螺桿對固體物料在進料段的輸送量m3/s；
n：螺桿轉(zhuǎn)速r/s； h1：螺桿螺紋槽的深度m
D：螺桿外直徑mb：螺紋槽的寬度m
e：螺凌的寬度mψ：螺桿螺旋角（ °）
φ：物料輸送角（ °）
物料物料輸送角φ，φ=arccos（Ksimφ+ M）
K：為作用在物料上的力比，M：螺紋槽中的集合項
M 、K 值與進料段的開始和末端的壓力、物料與螺桿及機筒的摩擦系數(shù)，螺桿內(nèi)、外直徑、螺旋寬度、螺桿平均螺旋角、進料段長度等因素有關(guān)。
2）、揉合區(qū)及其理論分析：
（1）、揉合（溶融）過程的物理模型和溶融基理：
揉合（溶融）過程的物理模型見圖2
圖2揉合（溶融）過程的物理模型
喂料（固體）輸送區(qū)飼料仍處于固體狀態(tài)，而揉合（溶融）過程飼料經(jīng)螺桿的螺旋及揉合塊的作用下使飼料受到強力擠壓壓力、揉合、加溫、加濕，飼料開始從粉狀單粒固體向塑性溶融體轉(zhuǎn)變，在高溫和強力的擠壓下飼料雖然密度進一步提高，并在揉合區(qū)中后部逐步整體呈現(xiàn)出塑性流動性。
（2）、揉合（溶融）理論：
飼料在從喂料（固體）輸送區(qū)進入溶融區(qū)揉合（溶融）理論是建立在揉合（溶融）數(shù)學(xué)模型、熱力學(xué)、流變學(xué)的基礎(chǔ)上。
揉合區(qū)的主要關(guān)系式：
α揉合溶融系數(shù)：α=（ Rh1 b1/2/QSρS） ；
ρS固體粉狀物料的密度（即被溶物料的密度）， kg/m3；
R物料揉合（溶融）時供熱量與需要熱量的比值，kg/m1.5s ；
R=（Vbxρm/2）1/2{λm（Tb‐Tm）+ηvj2/2）/CS（Tb‐Ts）+i}1/2 ；
Vbx機筒內(nèi)表面垂直螺凌方向上的分速m/s ；
Vj機筒內(nèi)表面運動速度Vb與飼料固體運動速度VSZ的合速度m/s；
ρm揉合（溶融）物料的密度kg/m3；λm揉合（溶融）物料的熱導(dǎo)率J/ mt；
CS粉狀飼料的比熱J/kgt ；i粉狀飼料的比能J/kg ；
η 揉合物料表觀粘度Pas；Tb揉合溶融溫度t℃ ；
Tm揉合溶融區(qū)機筒的溫度t ℃； Ts進入揉合區(qū)粉狀飼料溫度t ℃
揉合內(nèi)*溶融段長度L2，L2= （h1/α）（ 2‐A/α） m；
螺桿螺槽底部斜度A， A=2（h1‐h3） Dsimψ/{2D‐（h1+h3）}L1
h3揉合溶融區(qū)螺槽深度mL1揉合溶融區(qū)長度m
由加料段送來的料已被壓到有較高密度的固體料，進入溶融區(qū)的物料受到與機筒、螺桿及物料之間的剪切、摩擦和外部加熱的共同作用下先在機筒內(nèi)壁溶融成溶膜。隨著物料的推進，溶膜厚度增加到整個螺槽。
該理論中對物料的擠壓，揉合過程的力的關(guān)系未能直接的表達出來。為此，該區(qū)的關(guān)系式在飼料揉合（溶融）區(qū)的理論上還不夠完整，全面。
3）、揉合（溶融）熟化（組織化）區(qū)及其擠壓理論分析：
揉合（溶融）熟化（組織化）成型區(qū)的理論是建立在流體（粘性）動力學(xué)理論基礎(chǔ)上，是研究飼料在該區(qū)域如何達到理想的溶融、塑性流動及其飼料的定溫、定壓、定量、連續(xù)地擠壓條件。
飼料在該區(qū)域內(nèi)在高溫、高壓的擠壓條件下，按流體（粘性）動力學(xué)理論導(dǎo)出飼料在該區(qū)域擠壓成型產(chǎn)量及其膜頭處壓力，即擠壓成型的壓力。
該區(qū)域螺桿擠壓成型量：
Qm=（π2D2h3cosψsimψ）n/2—（πDh33sim2ψ）p/12η1L3
—（π2D2δ3tanψ） p/10η2 L3m3/s
擠壓成型膜頭處壓力：p= p2—p1Pa
Qm：揉合（溶融）熟化成型輸送量，m3/s；
L3：揉合（溶融）熟化（組織化）成型區(qū)長度，m ；
η1：螺槽內(nèi)溶融物料的粘度，Pas ；
η2：螺桿與機筒的間隙中物料的粘度，Pas ；
p：膜頭處壓力Pa ；δ：螺桿與機筒的間隙，m ；
p1：揉合（溶融）開始處溶融物料的壓力Pa ；
p2：揉合（溶融）末端處溶融物料的壓力Pa 。
從上各關(guān)系式可知：
1）、擠壓膨化機產(chǎn)量取決于喂料（固體）輸送段輸送量、而揉合（溶融） 和揉合（溶融）熟化區(qū)的效果是保證擠壓膨化機產(chǎn)量和質(zhì)量的關(guān)鍵。而三區(qū)域內(nèi)須匹配。為此，高速擠壓膨化機建立在該基礎(chǔ)之上。
2）、在結(jié)構(gòu)不變的情況下，擠壓成型區(qū)的產(chǎn)量Qm隨物料粘度增加而增加，螺桿轉(zhuǎn)速增加而提高，但機內(nèi)擠壓壓力將下降。所以，螺桿轉(zhuǎn)速增加而提高時，為了確保擠壓膨化質(zhì)量，須增加合理的揉合塊或減少螺槽截面。
3）、初步揭示了擠壓膨化輸送段輸送量、而揉合（溶融） 和揉合（溶融）熟化與飼料的性能、螺桿、螺筒及工藝各參數(shù)之間的關(guān)系。是改進、提高擠壓膨化性能和工藝操作條件。
4）、適當(dāng)提高揉合（溶融）的溫度有利于飼料揉合（溶融）效果等。
2、螺桿特性線、膜頭特性線及擠壓工作特性線理論
1）、螺桿特性線：螺桿輸送量Q1與揉合（溶融）輸送量Qm關(guān)系為：
Q1螺桿輸送量，kg/h Qm揉合（溶融）輸送量kg/h
ρm揉合（溶融）料的密度kg/m3n螺桿轉(zhuǎn)速r/s
α、β、γ為螺桿的幾何參數(shù)有關(guān)系數(shù)。η溶融料的粘度Pas
具體螺桿的幾何參數(shù)引入后螺桿輸送量Q1為：
Q1=0.06π（D－h(huán)3）（scosψ－e） h3ρmnγ/cosψkg/h
D螺桿直徑cmh3揉合（溶融）熟化段螺槽深度cm
s螺距cme螺凌的寬度cm
ψ螺桿螺旋角（ °）γ傳送系數(shù)一般取0. 2～0. 5
2）、膜頭特性線：膜頭溶融料輸送量Q2=Q1
Q2 =Q1 =Kp/η=3600ρm Kp/ηkg/h
K膜孔形狀、尺寸系數(shù)p膜頭壓力Pa
3）、螺桿、膜頭特性線見工作特性圖3：擠壓膨化機產(chǎn)量應(yīng)Q3=Q2=Q1
圖3 擠壓膨化機工作特性圖
從上式中擠壓膨化機產(chǎn)量Q與螺桿轉(zhuǎn)速、螺桿、膜頭的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，與物料粘度無關(guān)（在膜頭結(jié)構(gòu)尺寸不變時）。粘度大機頭處壓力高，。粘度小機頭處壓力低。所以，溶體物料通過時膜頭產(chǎn)量Q不變。
綜上所述三區(qū)域溶融理論三者相對獨立，*、二區(qū)有關(guān)系，與第三區(qū)尚未統(tǒng)一起來分析，該理論有一定不完整性。而螺桿特性線、膜頭特性線及工作特性線的擠壓理論。三區(qū)域已起來，但該理論中，物料的流變特性未能充分表達出來，因此，該理論仍有一些不足。