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擠壓膨化機(jī)的特性及工作原理

來源:濟(jì)南大鵬機(jī)械設(shè)備有限公司   2010年10月26日 11:43   3157

(一)、擠壓膨化機(jī)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(rèn)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(qiáng)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(qiáng)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)所生產(chǎn)的水產(chǎn)飼料質(zhì)量是其他飼料成型機(jī)械*的。可以說現(xiàn)代擠壓膨化機(jī)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(jī)設(shè)備投資較其他成型機(jī)械要高,操作管理水平要求嚴(yán)格,動耗要高于其他成型機(jī)械。由于,現(xiàn)代擠壓膨化機(jī)的特點和功能相比遠(yuǎn)優(yōu)于其他成型機(jī)械。所以,現(xiàn)代的擠壓膨化機(jī)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(jī)工作原理:

擠壓膨化機(jī)的擠壓加工理論自擠壓膨化機(jī)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(jìn)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(jī)擠壓理論來指導(dǎo)設(shè)計和生產(chǎn)。由于飼料擠壓膨化機(jī)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(jìn)行較可靠的定量分析,不能用一個或幾個公式能完整表達(dá)擠壓膨化機(jī)在擠壓膨化過程中的理論。目前擠壓膨化機(jī)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(jī)的擠壓理論不夠完整、全面、系統(tǒng),但對擠壓膨化機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)的工作特性圖為基礎(chǔ)的理論。現(xiàn)對這些理論來進(jìn)行簡單討論。


a


b
圖1 a,b 擠壓膨化機(jī)工作過程

1、擠壓膨化機(jī)輸送溶融揉合工作原理:

從圖1看出飼料在擠壓膨化機(jī)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(jī)工作原理從這三個區(qū)為單位進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)料段的開始和末端的壓力、物料與螺桿及機(jī)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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)力的擠壓下飼料雖然密度進(jìn)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(jìn)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)1/21/2 ;

Vbx機(jī)筒內(nèi)表面垂直螺凌方向上的分速m/s ;
Vj機(jī)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(jī)筒的溫度t ℃; Ts進(jìn)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/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(jìn)入溶融區(qū)的物料受到與機(jī)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(jī)筒內(nèi)壁溶融成溶膜。隨著物料的推進(jìn),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(dá)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(dá)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(jī)筒的間隙中物料的粘度,Pas ;
p:膜頭處壓力Pa ;δ:螺桿與機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)、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(jī)產(chǎn)量應(yīng)Q3=Q2=Q1


圖3 擠壓膨化機(jī)工作特性圖

從上式中擠壓膨化機(jī)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(jī)頭處壓力高,。粘度小機(jī)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(dá)出來,因此,該理論仍有一些不足。 

 

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