автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Совершенствование формующего инструмента экструдеров для производства коэкструдированных изделий с начинкой

На правах рукописи

ГОНЧАРОВСКИЙ ДМИТРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ФОРМУЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ЭКСТРУДЕРОВ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КОЭКСТРУДИРОВАННЫХ ИЗДЕЛИЙ С НАЧИНКОЙ

05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

0рел-2012

005046680

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Государственный университет — учебно-научно-производственный комплекс»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Корячкин Владимир Петрович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой

Магомедов Газибег Омарович

доктор технических наук, профессор (ФГБОУ ВПО Воронежский государственный университет инженерных технологий) заведующий кафедрой

Касьянов Геннадий Иванович

доктор технических наук, профессор (ФГБОУ ВПО Кубанский государственный технологический университет) заведующий кафедрой

ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт крахмалопродукгов РАСХН (п.Красково Любрецкого р-на, Московской обл.)

Защита состоится «17» мая 2012 г. в 14— на заседании совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора • наук Д 212.035.01 при ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» по адресу: 394036, г. Воронеж, проспект Революции, 19, конференц-зал.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах), заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес совета университета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО ВГУИТ.

Автореферат размещён на сайте http://vak2.ed.gov.ru и на сайте ВГУИТ www.vsuet.ru «16» апреля 2012 года.

Автореферат разослан «16» апреля 2012 года.

Ученый секретарь совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д.212.035.01 доктор технических наук, профессор

Г.В.Калашников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Производство продуктов питания методом высокотемпературной кратковременной экструзии является одним из экономически выгодных способов. Экструзионное оборудование по сравнению с другим технологическим оборудованием, решающим подобные технологические задачи, занимает меньшую рабочую площадь предприятия и требует меньших финансовых затрат на обслуживание.

Мировое потребление экструзионных продуктов питания непрерывно растет, включая Россию, Западную Европу и США. Типичным представителем готовых экструдированных завтраков являются изделия с начинками, вырабатываемые методом козкструзии корпуса и масложировой начинки.

В настоящее время важную роль играет замещение импортных продуктов питания на отечественные. Это снижает цены на готовую продукцию и расширяет ассортимент, что направлено на обеспечение продовольственной безопасности РФ.

Расширение ассортимента экструзионной продукции целесообразно проводить с использованием новых компонентов начинок, в частности экструзионного кукурузного крахмала, что позволяет улучшить технологические режимы и сократить возвратные отходы коэкструзионной продукции.

Применение новых начинок меняет режимы работы экструдера, что требует изучения реологических свойств начинок и их учета в инженерном совершенствовании формующего инструмента.

Сложившаяся в России экономическая ситуация недостатка качественных отечественных продовольственных товаров, а также жесткая конкурентная борьба производителей на товарных рынках требуют выпускать конкурентоспособную продукцию. Этого возможно достичь совершенствованием конструкции формующего инструмента экструдеров и технологического процесса производства коэкструдированных продуктов.

Анализ отечественной и зарубежной литературы и патентных поиск показал, что вопросами экструзии и экструзионного оборудования занимался рад ученых: Р.В.Торнер, А.Н.Богатырев, В.ПЛОрьев, А.И.Жушман, В.Г.Карпов, А.Н.Остриков, О.В.Абрамов, А.С.Рудометкин, С.5сЬепке1, ВЯ-МасМоск, Е.С.ВегпЬагск, т.МсКеК-еу, 1.Р.Саг1еу, Я-Б-МаИоик, ЕЛэЬег и другие, а вопросами исследования физикомеханических свойств пищевых сред: Б.М.Азаров, Г.В .Виноградов, МЛ.Воларович, А.ВГорбатов, Н.НЛипатов, А.Д.Малкнн, С.А.Мачихин, Ю.АМачихин, В.ПКорячкин и другие. Своими исследованиями они внесли большой вклад в изучение процессов, протекающих при экструзии, и реологии пищевых материалов. Однако вопросы коэкструзии корпуса из зернового сырья и масложировой начинки изучены не достаточно и их изучение, а также разработка усовершенствованной конструкции формующего инструмента экструдеров является задачей, имеющей важное теоретическое и прикладное значение, поэтому исследования в данном направлении являются актуальными.

Объектами исследования являются жировые начинки и расплав корпуса изделий типа «готовые завтраки».

Предметом исследования является разработка усовершенствованной конструкции формующего инструмента экструдеров для формования корпуса с начинкой методом коэструзии.

Цель исследования состоит в совершенствовании конструкции формующего инструмента экструдеров для получения коэкструдированных изделий с начинкой для достижения разномерного распределения начинки по дайне полого корпуса.

Теоретические исследования экструзионной техники, технологии и теории показали, что процесс коэкструзии является сложным процессом, в котором происходит взаимодействие двух разнородных сред. Для изучения процесса коэкструзии и достижения поставленной цели были определены следующие задачи:

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- провести теоретические исследования современного состояния экструзионной техники и изучения конструкций формующих инструментов экструдеров, используемых для формования коэкструдированных изделий;

- провести изучение технологических схем производства коэструдированных готовых завтраков;

- провести теоретические исследования процесса течения сплошных 45 неньютововских твердообразных сред и их математических моделей;

- выявить закономерности сдвигового течения начинки, содержащей экструзионный кукурузный крахмал;

- выбор оптимальной дозировки экструзионного кукурузного крахмала, как составляющей части жировой начинки;

- выбор рациональной температуры дозирования начинки с экструзионным кукурузным крахмалом;

-выбор оптимальной величины угла конического рассекателя потока начинки, установленного в круглом канале для подачи начинки;

- установить реологические свойства расплава корпуса коэкструдированных изделий;

-разработать математическую модель течения расплава и начинки в формующем инструменте экструдера;

-усовершенствовать конструкцию формующего инструмента экструдера для коэкструдирования корпуса с жировой начинкой;

- проверить функционирование усовершенствованной конструкции формующего инструмента экструдера в промышленных условиях;

- провести внедрение в производство формующего инструмента экструдера усовершенствованной конструкции.

Научная новизна. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований усовершенствован формующий инструмент экструдеров дю формования коэкструдированных изделий с начинкой.

Изучено влияние содержания экструзионного кукурузного крахмала на физико-мехшлческие свойства жировой начинки. Изучено влияние температуры

на свойства жировой начинки, содержащей экструзионный кукурузный крахмал. Изучено влияние конического рассекателя потока начинки на сдвиговое течение начинки, содержащей экструзионный кукурузный крахмал, в круглом капилляре.

Изучено сдвиговое течение расплава корпуса коэкструдированных изделий в кольцевом канале формующего инструмента. Выявлено реологическое уравнения состояния расплава.

Выявлены основные закономерности сдвигового течения жировой начинки, содержащей экструзионный кукурузный крахмал, в зависимости от температуры, содержания экструзионного кукурузного крахмала и угла при вершине конуса конического рассекателя потока начинки. Предложены реологические уравнения состояния и уравнения вязкости жировых начинок, содержащих экструзионный кукурузный крахмал.

Разработана математическая модель течения начинки и расплава коэкструдированных изделий, которая позволила предложить методику инженерного расчета канала для подачи начинки с коническим рассекателем потока.

Новизна конструкции формующего инструмента подтверждена патентом РФ №2381726.

Практическая ценность результатов работы заключается в разработке усовершенствованного формующего инструмента экструдеров для формования коэкструдированных изделий с начинкой, в канале для подачи начинки которого установлен конический рассекатель начинки. Определены рациональные размеры конического рассекателя. Определено оптимальное содержание экструзионного кукурузного крахмала в начинке. Определен рациональная температура дозирования начинки.

Использование конического рассекателя потока начинки позволило равномерно распределять начинку по длине кольцевидного жгута корпуса изделия, что улучшило потребительские свойства готовой продукции и снизило затраты на производство. Расчетная экономическая эффективность предлагаемого формующего инструмента составила 3,6 рубля на 1 кг готовой продукции.

Реализация результатов работы. Проведена апробация, изготовленного в металле формующего инструмента экструдера, на предприятии ООО «Продэкст» при выработке коэкструдированных изделий с начинкой.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях преподавателей и сотрудников ОрелГТУ «Неделя науки» (2006-2011 гг.), на Ш международном научном симпозиуме «Ударно-вибрационные системы, машины и технологии» (17-19 октября 2006 года), на китайско-российском симпозиуме «2008 Joint China-Russia Symposium on Advanced Materials and Processing Technology» (24-28 мая 2010 года), на VI международной научно-практической интернет конференции «Потребительский рынок: качество и безопасность продовольственных товаров», опубликованы статьи в журнале «Известия ОрелГТУ, серия «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии» (2008-2009) и журнале «Хлебопродукты»

По результатам проведенных исследований опубликовано 7 работ, в т.ч. 2 статьи в рецензируемых ВАК научных журналах и получен патент РФ №2381726 от 5 ноября 2008 года.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и основных выводов. Работа изложена на 146 страницах основного текста, содержит 58 рисунков и 30 таблиц. Список литературы включает 172 источников, в том числе 33 источника на иностранном языке. Приложения включают таблицы с экспериментальными данными, тарировочные таблицы приборов и оборудования, протоколы исследования коэкструдированных изделий на соответствие требованиям качества и безопасности и патент №2381726 на усовершенствованную конструкцию формующего инструмента экструдера.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении охарактеризовано современное состояние производства коэкструдированных готовых завтраков с начинками, определены научная новизна и практическая ценность проведенных исследований.

В первой главе систематизированы литературные данные о современном состоянии техники, технологии и теории производства коэкструдированных изделий с начинкой, проанализированы конструкции формующих инструментов экструдера. Приведены конструкции экструдеров и дан обзор технологических схем производства коэкструдированных изделий с начинкой. На основании проведенного анализа обоснован выбор объектов исследования, сформулированы цели и задачи диссертационной работы и определены методы их решения.

Во второй главе описана реометрия начинки «Шоколадная», содержащей экструзионный кукурузный крахмал (ЭКК) в количестве 0; 2; 5; 7,5; 10% к общей массе крахмалов в начинке.

Проводили капиллярную вискозиметрию образцов начинки «Шоколадная» с ЭКК, дискретно изменяя давление от 39,2 до 274,4 к Па с шагом 39,2 кПа, при скорости сдвига от 101 до 3600 с-1 и температуре начинки 23,8 °С. Во время экспериментов замеряли массовую производительность капилляра, в качестве которых использовали капилляры круглого поперечного сечения диаметром ё=5 мм и длиной 60,70, 80,90, 100,120 мм (рис. 1).

Рис. 1 Сменные цилиндрические капилляры разной длины

Жировая начинка, содержащая экструзионный кукурузный крахмал (ЭКК) представляет собой неньютоновскую дисперсную среду, а внесение экструзионного кукурузного крахмала (ЭКК) в начинку изменяет ее физико-механические свойства. Изменения физико-механических свойства влияет на течение начинки в сквозных каналах. На малых скоростях сдвига начинка

«Шоколадная» обладает малыми пластическими (при содержании ЭКК С от 0 до 5%) или малыми упругими (при С от 7,5 до 10%) свойствами (рис. 2).

Экспериментальные точки, изображенные в логарифмических координатах 1§©=1£0(1§£О) (рис. 2), расположены скученно вблизи одной кривой, что позволяет сделать вывод о том, что на кривые течения дайна капилляра практически не влияет. На свойства начинки влияет внесение ЭКК, стабилизируя свойства начинки.

Сдвиговое течение начинки, содержащей ЭКК, описали реологическим уравнением состояния Гершеля-Бадкли:

© = ©„ + Ш", (1)

где ©0 - предельное напряжение сдвига, Па; Б - скорость сдвига, 1/с; к - коэффициент консистенции, Па с"; п - индекс течения.

а) 0%, б) 2%, в) 5%, г)7,5%, д)30%

Рис. 2 Экспериментальные точки и кривые течения образцов начинки «Шоколадная» с экструзионным кукурузным крахмалом

Графоаналитическим методом определили предельное напряжение сдвига 0О, коэффициент консистенции к и индекс течения п образцов начинки «Шоколадная» с ЭКК (рис. 3).

и»

1.000

С

аяео % ^

I ¡/ Рис. 3 Зависимость ©0, к и

ом | ♦ п п от содержания ЭКК в

о ш = начинке «Шоколадная»

(им

0.000

Изменение.....кривизны графиков кривых течения образцов начинки

«Шоколадная» (рис. 2) и экстремумы графиков ©0=©0(С), к=к(С) и п=п(С) (рис. 3) наблюдаются в диапазоне изменений значений содержания ЭКК от 5 до 7,5%. В этом диапазоне происходит выравнивание свойств начинки «Шоколадная», что позволяет рекомендовать этот диапазон значений в качестве рабочего диапазона содержания ЭКК в начинке.

Проводили ротационную вискозиметрию образцов начинки «Шоколадная» с экструзионным кукурузным крахмалом в системе коаксиальных цилиндров ротационного вискозиметра, помещенных в систему термостатирования, в диапазоне температур от 21 до 60°С при скоростях сдвига (О) от ОД 67 до 72,9 с и содержании ЭКК в образцах начинки в диапазоне от 0 до 10% к общей массе крахмалов в начинке. Начинка, содержащая ЭКК (С=0%) представляла собой контрольный образец.

На основании анализа набора графиков кривых течения (рис. 4), построенных для разных условий эксперимента, подтвердили, что начинка является неньютоновской дисперсной средой, обладающей пластическими свойствами, а внесение экструзионного кукурузного крахмала и изменение температуры начинки изменят ее свойства.

Математическая обработка данных реометрии образцов начинок позволили выбрать реологическое уравнение состояния Гершеля-Балкли для описания сдвигового течения начинки «Шоколадная», содержащей ЭКК (1).

По результатам ротационной вискозиметрии установили рекомендованную температуру подачи начинки в экструдер, при которой начинка имеет незначительные колебания реологических параметров свойств, то есть диапазон температур в пределах 25 - 55 °С.

Записали реологическое уравнение состояния ©=©(Е>, 0 и уравнение вязкости начинки Т1=Л(°> г), содержащей ЭКК в количестве 7,5%:

в = (0,5б£2 - Зг + 0,59) + (0,69г2 - 5,41 + 16,99) -(2) п = («■»''-»'^ + (0,69Г - 5,41 + 16,99) • д-«.«^"-1» (3)

где О - скорость сдвига, 1/с; I - температура начинки, °С.

С у

4&

» 5

3 =

II

а р

I I -1»

-ю

е.!*

и**"-. ® ......—» *—4>........... |

.......... .]

.........

4 1

1 > 1 1 15^......4

|______Л___;____

Содержание ЭКК С,1

Скорость сдвига 1<Ю, 1/с

Скорость сдвига 100, 1/с

Ж

I

Скорость сдвига 100, 1/с

♦■¡г? ■■»■¿¿•г: -л и-с ••»••« I -г.: ••♦■•гт -«-«у

Скорость сдвига 100, 1/с

-*-:д'С -»-йх -л-«-'.- -»-*сс -*-.??ч" т;

С

Ф100

ю то

Скорость сдвига 1ОО, 1/с

С -а-41"О -Ф-4Г-С

Д)

Рис. 4 Кривые течения образцов начинки «Шоколадная», содержащих ЭКК в количестве 0% (а), 2% (б), 5% (в), 7,5% (г) и 10% (д) при температурах от 21 до 60 °С

Проводили капиллярную вискозиметрию образцов начинки «Шоколадная» с экструзионным кукурузным крахмалом (ЭКК) путем продавливаиия начинки через капилляр (рис. 5), снабженный коническим рассекателям потока, который был выполнен в виде сменных конусов с разными углами при вершине (рис. 6).

11,5° «■ШЩшиК! *'' ■

14,25° ййй555*!й?йг=» 19° ЧИН СД'ТТ*»-

и Рис. 6 Конические рассекатели с разным углом конуса при вершине

Эксперимента для всех образцов начинок проводили, дискретно изменяя давление от 39,2 до 274,4 кПа с шагом 39,2 кПа и температуре начинки 23,8 "С. Во время эксперимента замеряли массовую производительность капилляра.

В результате установки конического рассекателя в круглом канале производительность канала снизилась по сравнению с производительностью сквозного канала, что можно объяснить тем, что рассекатель создает дополнительное местное сопротивление течению начинки.

Для определения величины местного сопротивления конического рассекателя построили графики зависимости производительности О от давления ДР для сквозного канала диаметром 5 мм и длиной 80 мм и для канала с коническим рассекателем с углом при вершине 19°. Графически определили величину давления, которую необходимо создать для достижения производительности 5 г/с. Для сквозного канала это давление составило АР80=49 кПа, для канала с коническим рассекателем с углом при вершине 19° - ДРД19=132 кПа (рис. 7).

Рис. 7 Определение давления необходимого для достижения заданной производительности графическим методом

Рис. 5 Капилляр с радиальными отверстиями конические рассекатели

Конические рассекатели, устанавливаемые в сквозной канал представляют собой местные сопротивления

С = АРД - АРв0, (4)_

где ДРд - давление, которое необходимо создать для достижения заданной производительности при течении начинки в канале, ограниченном коническим рассекателем, Па;

ДР80 - давление, которое необходимо создать в сквозном канале длиной 80

мм.

Оценить абсолютную величину увеличения давления на коническом рассекателе позволяет коэффициент давления кр, который показывает степень увеличения давления от местных сопротивлений:

= (5)

Построили диаграммы зависимостей величин местных сопротивлений < конических рассекателей (рис. 8) и коэффициента давления кр (рис. 9) от угла при вершине конуса а (°) и содержания ЭКК С. (%)в образце начинки.

Рис. 8 Зависимость коэффициента давления кр от угла а при вершине конуса конического рассекателя и содержания ЭКК в образце начинки

Рис. 9 Зависимость величины местных сопротивлений £ (кПа) от угла а при вершине конуса конического рассекателя и содержания ЭКК в образце начинки

При увеличении длины конуса, что связано с уменьшением угла при его вершине для постоянног о диаметра основания конуса (ё=5 мм) уменьшается зазор

между конической поверхностью конуса и цилиндрической рабочей поверхностью канала доя подачи начинки. При этом, как следствие, снижается противодействие начинки за счет, как мы полагаем, ее «сводообразования» или «расклинивания» в упомянутом зазоре. На микрофотографии образца начинки «Шоколадная» (рис. 10) видно, что в начинке есть участки с нерастворившейся сахарной пудрой, твердыми частицами какао и области однородной консистенции, которые представляют собой соединение компонентов начинки в конгломерат.

Рис. 10 Микрофотография начинки «Шоколадная» с увеличением в 50 раз

Этим можно объяснить значительное возрастание коэффициента давления кр при уменьшении угла конуса от 25 до 10° 1ср=кр(а)и значительные нелинейные искажения трехмерной диаграммы кр=кр(а, С) (рис. 8). Диаграмма зависимостей коэффициента давления для образцов начинки с содержанием ЭКК от 2 до 10% (рис. 8) представляет собой параболоид. Значения коэффициента давления для контрольного образца начинки не лежат в его плоскости поскольку контрольный образец начинки не содержит ЭКК и, по сути, представляет собой среду с иными свойствами.

Для расчета напряжения сдвига © (Па) необходимо учесть влияние возмущений, вызыванных коническими рассекателями начинки. Эти возмущения можно представить в виде фиктивной длины конического рассекателя начинки /ф:

/ф==80 + 1Ж. (6)

Значение величины местных сопротивлений 1Ж представляет собой значение длины, на которую необходимо увеличить длину сквозного канала, чтобы достигнуть значений давления и производительности равным давления! и производительности канала с коническим рассекателем:

*не = 80(7)

Построив графики кривых течения образцов начинки «Шоколадная» с ЭКК и проанализировав их, в качестве реологической модели для описания поведения начинки выбрали степенную модель Освальда:

© = кБ", (8)

где О - скорость сдвига, 1/с; к - коэффициент консистенции, Па-с"; п - индекс течения.

13

Графоаналитическим методом определили коэффициент консистенции к и индекс течения п. Построили диаграммы зависимости коэффициента консистенции к (рис. 13) и индекса течения и (рис. 14) от угла при вершине конуса а и содержания ЭКК в образце начинки.

Рис. 11— Зависимость коэффициента консистенции к от угла при вершине конуса а и содержания ЭКК в образце начинки

м

I * 1-й

% ¡8(0,8-1

41» ........... .......V— Ы ! + о.б |

.Л 2Г V %.......~Ч......—"X*............! 5

^¡4.25» V; ............*—^

Рис. 12 - Зависимость индекса течения п от угла при вершине конуса <х и содержания ЭКК в образце начинки

Адекватную регрессионную модель можно построить только для результатов эксперимента, проведенного с коническими рассекателями с углом при вершине конуса 14,25°; 19° и 28°, потому что для этих условий эксперимента наблюдается устойчивая отрицательная корреляция (-0,84; -0,84; -0,96 соответственно) между изменениями значений независимого параметра С и зависимого параметра к.

Записали реологическое уравнение состояния ©=©(В, С) и уравнение вязкости Г|=Г((0, С) начинки «Шоколадная» с ЭКК как зависимость напряжения сдвига © (Па) и вязкости т) (Пас) от скорости сдвига О (1/с) и величины содержания С (%) экструзионного кукурузного крахмала в начинке для

экспериментальных значений, полученных при использовании конического рассекателя с углом при вершине 28°:

в = (—1916С2 4- ЗООС2 - 16,бС + 2,45) • О**"**-^'««^ес*о,* (9)

г, = (-1916С3 + ЗООС1 -16,6С + 2,45)- в^-^СйВ^С-ИИ (10)

По результатам исследования образцов начинки «Шоколадная» с ЭКК можно рекомендовать к использованию конические рассекатели с углом при вершине от 20° до 35°.

В третьей главе описывается реометр и я расплава корпуса, проведенная путем продавливания расплава корпуса через сквозной кольцевой канал формующего инструмента.

Во время эксперимента определялась производительность экструдера при производстве коэкструдированных изделий с начинкой.

По экспериментальным данным построили диаграмму (рис. 13) соотношения количественного содержания начинки и корпуса в готовом изделии.

Рис. 13 Диаграмма соотношения содержания корпуса и начинки в коэкст-рудированном изделии в зависимости от стадии запуска экструдера (1 -начало выхода на рабочий режим. 5 - завершение выхода на рабочий режим)

Построили график зависимости скорость истечения экструдата от избыточного давления в экструдере (рис. 14).

Рис. 14 Зависимость скорости выхода экструдата и (м/с) из формующего инструмента экструдера от избыточного давление в экструдере АР (МПа)

На рис. 14 можно выделить четыре зоны. В первой зоне расплав корпуса изделия выдавливается под небольшим давлением и на выходе из формующего инструмента представляет собой темную вязкую массу высокой влажности. Во второй зоне по мере увеличения давления при достижении величины сдвигающих усилий больше определенной критической величины начинается вспучивание массы, выходящей из формующего инструмента. В третьей зоне давление внутри экструдера практически соответствует рабочему давлению, из формующего инструмента выходит полый кольцевидный пористый жгут желтого цвета, в который начинает подаваться начинка. Четвертая зона соответствует зоне устойчивого протекания процесса экструзии, давление и скорость истечения полуфабриката достигают рабочих значений, из формующего инструмента выходит коэкструдированный полуфабрикат с начинкой.

Отобразили данные производительности расплава корпуса в консистентных переменных Рейнера (рис. 15).

200000 160000 120000 80000 40000 О

ТТ'Г

-Ц

1 ■ • Г

«О, Па

1000 2000 3000 4000 5000 Скорость сдвига 0,1/с

Рис. 15 - Экспериментальные точки и кривая течения расплава корпуса коэкстру-дированных изделий

На основе анализа кривой течения (рис. 15) было выбрано степенное реологическое уравнение состояния (8). Графо-аналитическим методом определили параметры степенного реологического уравнения состояния: коэффициент консистенции к и индекс течения п: 1с=5,9 кПа с", п=0,389 и окончательно записали:

0 = 5 900-В0389. (11)

Записали уравнение объемной производительности расплава для корпусов коэкструдированных изделий:

я-АРг,у" -г^571 "4(2-5,9-10'-О2-"''

В четвертой главе приведена математическая модель течения начинки и расплава корпуса в формующем инструменте экструдера, которая включает в себя уравнения скорости движения расплава и начинки коэкструдированных изделий в кольцевом и цилиндрическом каналах формующего инструмента экструдера.

На основании приведенной математической модели предложена методика

инженерного расчета канала для подачи начинки с коническим рассекателем, установленным на выходе из него. Получено уравнение радиуса радиальных отверстий канала для подачи начинки с коническим рассекателем:

Были определены радиусы радиальных отверстий канала для подачи начинки в двух сечениях, удаленных на 70 и 80 мм от входа в канал с коническим рассекателем с углом 28° при вершине при дозировании начинки, содержащей 7,5% ЭКК. В случае трех радиальных отверстий в каждом их сечений их радиусы составили: г,=1,69 мм, г2=1,42 мм.

В пятой главе описывается конструкция усовершенствованного формующего инструмента экструдера, приведены исследования качественных показателей и показателей безопасности коэкструдированных изделий с начинкой и расчет экономического эффекта от использования усовершенствованного формующего инструмента экструдера.

На рис. 16 представлена схема усовершенствованной конструкций формующего инструмента экструдера. Усовершенствованный формующий инструмент экструдера состоит из фланца 1 со штуцером 2, плиты 5, втулки 9 и трубы для подачи начинки 8. При модернизации формующего инструмента экструдера канал для подачи начинки, был снабжен коническим рассекателем начинки 11с полным перекрытием ее живого сечения. При этом на боковой стенке трубы были выполнены три радиальных отверстия 12. Их расположение подобрано таким образом, чтобы конический рассекатель был полностью виден в эти отверстия, а центры диаметров самих отверстий расположены в плоскости торцевого среза втулки 9. Площадь живого сечения этих отверстий подбиралось как величина примерно равная 90...110 % от площади живого сечения трубы. Конический рассекатель представляет собой конус с конусностью от 1:4 до 3:4. Канал может выполняться с тремя, четырьмя, пятью или шестью радиальными отверстиями. Количество выбирается в зависимости от сзойста дозируемой начинки.

Предлагаемый формующий инструмент (рис. 16) был выполнен в металле и опробован на производстве коэкструдированных изделий с начинкой. Предлагаемый формующий инструмент для производства коэкструдированных изделий с начинкой позволяет:

, -Расширить область применения за счет универсализации механизма нанесения начинки на внутреннюю поверхность полого корпусе изделия, которая в момент нанесения начинки увеличивается.

— Улучшить качество готовых изделий за счет равномерного распределения начинки по внутренней поверхности экструдируемого полого корпуса изделия.

— Повысить эксплуатационную надежность формующего инструмента.

— Расш ~>ить технологические возможности формующего инструмента по производств? лродукции широкого ассортимента.

'2ч,дк(ш + 1)(2Л,г)' *ЛР,™

(13)

I

Начинка

2 5

Расплав

7 И экстргдат

корпуса

1 - фланец, 2 - штуцер, 3, 6, 10 - каналы для подачи расплава корпуса, 4, 8 -каналы для подачи начинки, 5 - плита, 7-канал для подачи начинки, 9 - втулка, 11 - конический рассекатель начинки, 12 -радиальные отверстия Рис. 16 - Усовершенствованная конструкция формующего инструмента экструдера

С использованием усовершенствованного формующем го инструмента экструдера с коническим рассекателем начинки была выработана опытная партия палочек «Шоколадных» с начинкой с добавлением 7,5% экструзионного кукурузного крахмала.

Проводили исследования по следующим показателям: органолептическим, физико-химическим (таблица 1), микробиологическим, показателям безопасности. Определили содержание витаминов группы В, витаминов С и Е, а также содержание минеральных веществ (таблица 2). Для оценки качественных характеристик коэкструдированных продуктов были исследованы следующие их физико-химические свойства: набухаемость и влажность (таблица 1).

Таблица 1

Физико-химические показатели коэкструдированных изделий с начинкой _

Наименование показателя Размерность Значение показателя

Массовая доля влаги % 5,0

Набухаемость см3/г 6,2

Массовая доля общего сахара в пересчете на сухое вещество (по сахарозе) % 35,7

Массовая доля общего жира в пересчете на сухое вещество % 27,8

Таблица 2

Химический состав а энергетическая ценность

коэкструдироваииыж изделий с начинкой__________

Содержание витаминов Содержание минеральных веществ

Наименование Количество, мг/100 г Наименование Количество, мг/100 г

В1 0,507 Натрий 641,3

В2 0,171 Калий 118,7

В6 0,158 Кальций 17,7

РР 4,165 Магний 81,0

С 3,303 Фосфор 118.7

Е 1.017 Железо 4.22

Марганец 0,455

Медь 183

Энергетическая ценность, кДж/100 г 1826

Провели сравнение распределения начинки внутри полого экструдируемого корпуса изделия для разных условий выработки (рис. 20): с использованием формующего инструмента экструдера до модернизации (рис. 20а) и после модернизации (рис. 206).

Рисунок 20 — Схемы распределения начинки внутри полого корпуса изделия до (а) и после (б) усовершенствования формующего инструмента

При использовании формующего инструмента со сквозным каналом для подачи начинки наблюдается неравномерное заполнение полого корпуса изделия начинкой (рис. 20а). Равномерное заполнение корпуса изделий начинкой (рис. 206) достигается путем использования усовершенствованной конструкции формующего инструмента эксгрудера. При этом соотношение корпуса и начинки в готовой изделии по массе составляет 47:53.

Результаты исследований показали, что коэкструдированные изделия с начинкой соответствуют требованиям СанПиН 2.3.2.1078-2001 «Гигиенические требования безопасности и пищевой ценности пищевых продуктов».

Расчет экономического эффекта от внедрения усовершенствованной конструкции -»рмующего инструмента эксгрудера составит 3,6 рублей на 1 кг готовой прод' лдия.

Основные выводы и результаты

По результатам теоретических и экспериментальных исследований образцов начинки «Шоколадная» с экструзионным кукурузным крахмалом и расплава корпуса были сделаны следующие выводы:

1. Проведены комплексные теоретические и экспериментальные исследования конструкций рабочих органов экструдеров, в результате которых усовершенствована конструкция формующего инструмента экструдеров для получения коэкструдированных изделий с начинкой.

2. Методами ротационной и капиллярной вискозиметрии определены реологические (механические) свойства начинки «Шоколадная», содержащей экструзионный кукурузный крахмал. Установлено, что начинка является неньютоновской дисперсной средой, обладающей пластическими свойствами, а внесение экструзионного кукурузного крахмала и изменение температуры начинки изменят ее свойства. Определена оптимальная дозировка экструзионного кукурузного крахмала в количестве 5-7,5% к массе крахмалов, содержащихся в начинке. Определена рациональная температура дозирования начинки, содержащей экструзионный кукурузный крахмал, от 25 до 55°С.

3. Проведено исследование течения начинки «Шоколадная», содержащей экструзионный кукурузный крахмал, в сквозном канале круглого сечения, на выходе из которого установлен конический рассекатель начинки. Установлена оптимальная геометрия конического рассекателя подачи начинки на внутреннюю поверхность экструдированного корпуса изделия. Рекомендуется применять для канала диаметром 5 мм конический рассекатель с углом при вершине, выбираемого из диапазона от 20 до 35°.

4. Исследованы реологические свойства расплава зернового сырья для корпуса коэкструдированных изделий. Установлено, что расплав относится к неньютоновским средам и может быть описан степенным уравнением Освальда. Установлены численные значения основных коэффициентов: к=5900 Па-с", п=0,389.

5. Экспериментально определена скорость истечения коэкструдированного жгута с начинкой из формующего инструмента экструдера, которая составила У=0,8 м/с, что соответствует производительности 253,2 кг/час.

6. Разработана математическая модель течения компонентов коэкструдированных изделий с начинкой в виде регрессионного уравнения, с учитывающего содержание экструзионного кукурузного крахмала в начинке и геометрические размеры конического рассекателя подачи начинки.

7. Разработана усовершенствованная конструкции формующего инструмента экструдеров для получения коэкструдированных изделий с начинкой. Новизна конструкции формующего инструмента подтверждена патентом РФ №2381726.

8. Проведены производственные испытания усовершенствованной конструкции формующего инструмента экструдеров. Подтверждена высокая эффективность разработанного формующего инструмента экструдера. Ожидаемый экономический эффект от внедрения формующего инструмента

экструдера составит 3,6 рублей на 1 кг коэкструдированных изделий с начинкой.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: Статьи в журналах, рецензируемых ВАК:

1.Корячкин В.П., Гончаровский Д.А. Реологические свойства начинки «Шоколадная» с экструзионным кукурузным крахмалом // Известия ОрелГТУ, серия «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии» JV°4-4/272 (550) 2008. - 2008. - с. 36-39.

2. Корячкин В.П., Гончаровский Д.А. Модернизация экструдера линии производства готовых завтраков // Хлебопродукты. - 2010. - №8. - с.44-45.

Статьи и материалы конференций и симпозиумов:

3. Гончаровский Д.А., Корячкин В.П. Опыт производства сухих завтраков на экструдере РЗ-КЭД 88 // Материалы V международной научно-практической конференции «Приоритеты и научное обеспечение реализации государственной политики здорового питания в России». - Орел, 2006 г. - с. 206-208.

4. Гончаровский Д.А., Корячкин В.П. Опыт эксплуатации экструдера РЗ-КЭД-88 при производстве сухих завтраков. // Материалы III международного научного симпозиума «Ударно-вибрационные системы, машины и технологии». - Орел, 2006 г. - с. 471-473.

5. Корячкин В.П., Гончаровский Д.А. Выбор оптимальной дозировки экструзионного кукурузного крахмала для начинки сухих завтраков // Материалы VI международной научно-практической интернет конференции «Потребительский рынок: качество и безопасность продовольственных товаров». - Орел: ГосУниверситет-УНПК. - 2011. - с. 42-45.

6. Koryachkin V.P., Goncharovskiy D.A. Modemised extrusion-formed tool to produce crackling sticks with stuffings by coextrusion // 2008 Joint China-Russia Symposium on Advanced Materials and Processing Technology. - Harbin, China 2008. - pp.385-387.

Патент РФ:

7. Пат. №2381726 РФ МКИ7 А23Р 1/12. Формующий инструмент экструдера [Текст] / Гончаровский Д.А., Корячкин В.П., Алексенко Д.Н., заявитель и патентообладатель ОрелГТУ. - 2008143892/13, заявлено 05.11.2008' опубл. 20.02.2010; Бюл. №5.

Подписано в печать 13.04.2012. Формат 60 х 84 1/16 Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ №91

ФГБОУВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»

(ФГБОУВПО «ВГУИТ») Отдел полиграфии ФГБОУВПО «ВГУИТ» Адрес университета и отдела полиграфии: 394036, Воронеж, пр. Революции, 19

61 12-5/2766

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Государственный университет -учебно-научно-производственный комплекс»

На правах рукописи

ГОНЧАРОВСКИЙ Дмитрий Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ФОРМУЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ЭКСТРУДЕРОВ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КОЭКСТРУДИРОВАННЫХ ИЗДЕЛИЙ С НАЧИНКОЙ

Специальность 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук Корячкин В.П.

0рел-2012

Содержание

стр.

ВВЕДЕНИЕ 5

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ И ТЕОРИИ ПРОИЗВОДСТВА КОЭКСТРУДИРОВАННЫХ ИЗДЕЛИЙ С НАЧИНКОЙ 9

1.1 Обзор оборудования для производства коэкструдированных продуктов 9

1.1.1 Обзор экструдеров 9 -

1.1.2 Обзор конструкций формующих инструментов экструдеров 17

1.2 Обзор технологии коэкструдированных продуктов 26

1.3 Характеристики зерновых и масложировых компонентов как объектов исследования 31

1.3.1 Характеристика сырья для корпуса коэкструдированных готовых завтраков 32

1.3.2 Характеристика сырья для начинки коэкструдированных готовых завтраков 35 -

1.3.3 Влияние высокотемпературной кратковременной экструзии на физико-химические свойства сырья 37

1.4 Теория течения компонентов коэкструдированных продуктов 39

1.5 Цели и задачи исследования 44 Краткие выводы по главе 1 47

2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАЧИНОК ДЛЯ КОЭКСТРУИРОВАННЫХ ГОТОВЫХ ЗАВТРАКОВ 48

2.1 Выбор объектов исследования 48 -

2.2 Капиллярная вискозиметрия образцов начинок «Шоколадная» с экструзионным кукурузным крахмалом 49

2.3 Определение рабочей температуры начинки «Шоколадная»

с экструзионным кукурузным крахмалом 58

2.4 Выявление рациональных размеров конического рассекателя начинки 61

Краткие выводы по главе 2 75

РЕОМЕТРИЯ РАСПЛАВА КОРПУСА

КОЭКСТРУДИРОВАННЫХ ГОТОВЫХ ЗАВТРАКОВ 77

3.1 Описание экспериментальной установки и методики проведения эксперимента 77

3.2 Анализ и обработка экспериментальных данных 85 , Краткие выводы по главе 3 94 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕЧЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ КОЭКСТРУДИРОВАННЫХ ИЗДЕЛИЙ С НАЧИНКОЙ И МЕТОДИКА ИНЖЕНЕРНОГО РАСЧЕТА ФОРМУЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ЭКСТРУДЕРА 95

4.1 Математическая модель течения компонентов коэкструдированных изделий 95

4.2 Методика инженерного расчета формующего инструмента экструдера 10L

Краткие выводы по главе 4 110

КОНСТРУКЦИЯ ФОРМУЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ЭКСТРУДЕРА, КАЧЕСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ

КОЭКСТРУДИРОВАННЫХ ИЗДЕЛИЙ С НАЧИНКОЙ, ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ОТ ВНЕДРЕНИЯ 111

5.1 Описание конструкции усовершенствованного формующего инструмента экструдера 110

5.2 Методы исследования качественных показателей образцов 114

5.3 Анализ качественных показателей коэкструдированых изделий с начинкой 117

5.4 Определение микробиологических показателей и показателей безопасности коэкструдированных изделий с начинкой 120

5.5 Экономический эффект от внедрения формующего инструмента 122

Краткие выводы по главе 5 126

Общие выводы по диссертационной работе 127

Список литературы 129

Приложения 147

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Производство продуктов питания методом высокотемпературной кратковременной экструзии является одним из экономически выгодных способов. Экструзионное оборудование по сравнению с другим технологическим оборудованием, решающим подобные технологические задачи, занимает меньшую рабочую площадь предприятия и требует меньших финансовых затрат на обслуживание.

Мировое потребление экструзионных продуктов питания непрерывно растет, включая Россию, Западную Европу и США. Типичным представителем готовых экструдированных завтраков являются изделия с начинками, вырабатываемые методом коэкструзии корпуса и масложировой начинки.

В настоящее время важную роль играет замещение импортных продуктов питания на отечественные. Это снижает цены на готовую продукцию и расширяет ассортимент, что направлено на обеспечение продовольственной безопасности РФ.

Расширение ассортимента экструзионной продукции целесообразно проводить с использованием новых компонентов начинок, в частности экструзионного кукурузного крахмала, что позволяет улучшить технологические режимы и сократить возвратные отходы коэкструзионной продукции.

Применение новых начинок меняет режимы работы экструдера, что требует изучения реологических свойств начинок и их учета в инженерном совершенствовании формующего инструмента.

Сложившаяся в России экономическая ситуация недостатка качественных отечественных продовольственных товаров, а также жесткая конкурентная борьба производителей на товарных рынках требуют выпускать конкурентоспособную продукцию. Этого возможно добиться совершенствованием конструкций формующего инструмента экструдеров и

технологического процесса производства коэкструдированных продуктов. *

Анализ отечественной и зарубежной литературы [12, 14, 31, 33, 35, 36, 39, 42, 45, 47, 63, 65, 73, 75, 99, 102, 107, 110, 113, 115, 118, 120, 135, 147, 148, 153, 157, 163, 167, 170] и патентных поиск [2, 3, 79-87] показал, что вопросами экструзии и экструзионного оборудования занимался рад ученых: Р.В.Торнер, А.Н.Богатырев, В.П.Юрьев, А.И.Жушман, В.Г.Карпов, А.Н.Остриков, О.В.Абрамов, А.С.Рудометкин, G.Schenkel, B.H.Maddock, E.C.Bernhardt, J.M.McKelvey, J.F.Carley, R.S.Mallouk, E.Fisher и другие, а вопросами исследования физикомеханических свойств пищевых сред: Б.М.Азаров, Г.В.Виноградов, М.П.Воларович, А.В.Горбатов, Н.Н.Липатов, А.Д.Малкин, С.А.Мачихин, Ю.А.Мачихин, В.П.Корячкин и другие. Своими исследованиями они внесли большой вклад в изучение процессов, протекающих при экструзии, и реологии пищевых материалов. Однако вопросы коэкструзии корпуса из зернового сырья и масложировой начинки изучены не достаточно и их изучение, а также разработка усовершенствованной конструкции формующего инструмента экструдеров является задачей, имеющей важное теоретическое и прикладное значение, поэтому исследования в данном направлении являются актуальными.

В работе сделана попытка измерить полное давление внутри шнековой камеры экструдера непосредственно за прессующими шнеками. До настоящего времени измерение давления расплава сухой смеси сырья проводилось путем установки датчика давления, измеряющего боковое давление расплава, текущего в формующем инструменте экструдера [73]. Измерение бокового давления не дает представление о полном давлении расплава, поскольку расплав является неньютоновской средой.

Объектами исследования являются жировые начинки и расплав корпуса изделий типа «готовые завтраки».

Предметом исследования является разработка усовершенствованной конструкции формующего инструмента экструдеров для формования корпуса с начинкой методом коэструзии.

Научная новизна. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований усовершенствован формующий инструмент экструдеров для формования коэкструдированных изделий с начинкой.

Изучено влияние содержания экструзионного кукурузного крахмала на физико-механические свойства жировой начинки. Изучено влияние температуры на свойства жировой начинки, содержащей экструзионный кукурузный крахмал. Изучено влияние конического рассекателя потока начинки на сдвиговое течение начинки, содержащей экструзионный кукурузный крахмал, в круглом капилляре.

Изучено сдвиговое течение расплава корпуса коэкструдированных изделий в кольцевом канале формующего инструмента. Выявлено реологическое уравнения состояния расплава.

Выявлены основные закономерности сдвигового течения жировой начинки, содержащей экструзионный кукурузный крахмал, в зависимости от температуры, содержания экструзионного кукурузного крахмала и угла при вершине конуса конического рассекателя потока начинки. Предложены реологические уравнения состояния и уравнения вязкости жировых начинок, содержащих экструзионный кукурузный крахмал.

Разработана математическая модель течения начинки и расплава коэкструдированных изделий, которая позволила предложить методику инженерного расчета канала для подачи начинки с коническим рассекателем потока.

Новизна конструкции формующего инструмента подтверждена патентом РФ №23 81726.

Практическая ценность результатов работы заключается в разработке усовершенствованного формующего инструмента экструдеров для формования коэкструдированных изделий с начинкой, в канале для подачи начинки которого установлен конический рассекатель начинки. Определены рациональные размеры конического рассекателя. Определено

оптимальное содержание экструзионного кукурузного крахмала в начинке. Определен оптимальные диапазон температур дозирования начинки.

Использование конического рассекателя потока начинки позволило равномерно распределять начинку по длине кольцевидного жгута корпуса изделия, что улучшило потребительские свойства готовой продукции и снизило затраты на производство. Расчетная экономическая эффективность предлагаемого формующего инструмента составила 3,6 рубля на 1 кг готовой продукции.

Реализация результатов работы. Проведена апробация, изготовленного в металле формующего инструмента экструдера, на предприятии ООО «Продэкст» при выработке коэкструдированных изделий с начинкой.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях преподавателей и сотрудников ОрелГТУ «Неделя науки» (2006-2011 гг.), на III международном научном симпозиуме «Ударно-вибрационные системы, машины и технологии» (17-19 октября 2006 года), на китайско-российском симпозиуме «2008 Joint China-Russia Symposium on Advanced Materials and Processing Technology» (24-28 мая 2010 года), на VI международной научно-практической интернет конференции «Потребительский рынок: качество й безопасность продовольственных товаров», опубликованы статьи в журнале «Известия ОрелГТУ, серия «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии» (2008-2009) и журнале «Хлебопродукты»

По результатам проведенных исследований опубликовано 7 работ, в т.ч. 2 статьи в рецензируемых ВАК научных журналах и получен патент РФ №2381726 от 5 ноября 2008 года.

Глава 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНИКИ, ТЕХНОЛОГИИ И ТЕОРИИ ПРОИЗВОДСТВА КОЭКСТРУДИРОВАННЫХ ИЗДЕЛИЙ С НАЧИНКОЙ

Коэкструдированные продукты с начинкой появились на российском рынке относительно недавно, приблизительно в 90-х годах XX века. На сегодняшний день среди экструдированных готовых завтраков подушечки и трубочки с начинкой занимают второе место, уступая лишь кукурузным палочкам. Возможности для расширения рынка коэкструдированных продуктов (подушечек и трубочек) есть, но в настоящее время потребителями подобной продукции большое внимание уделяется ее качеству. Качество коэкструдированных изделий с начинкой напрямую зависит оборудования и сырья, с помощью которого они производятся [73, 101, 108].

1.1 Обзор оборудования для производства коэкструдированных продуктов

1.1.1 Обзор экструдеров

Экструдер представляет собой машину для создания давления в замкнутом объеме пространства рабочей камеры. Температурный режим процесса экструзии поддерживается с помощью электрического нагрева рабочей камеры. Экструдеры, выпускаемые различными фирмами по всему миру, не имеют принципиальных отличий между собой. Каждый экструдер состоит из станины, электродвигателя, момент вращения которого передается через систему ременных и редукторных передач к рабочим органам (шнек, диск, поршень), размещенных в корпусе, системы дозирования сырья и воды, сменного комплекта профилирующих матриц или формующего инструмента экструдера и контрольно-измерительной аппаратуры [27, 28, 73, 74, 133, 149, 151].

По типу рабочего органа различают экструдеры: одно- и двухшнековые, многошнековые, дисковые, поршневые, валковые, винтовые, шестеренчатые и комбинированные (рисунок 1.1) [74, 102]. Экструдеры можно классифицировать следующим образом [74]:

- по частоте вращения рабочего органа: на нормальные и быстроходные;

- по конструктивному исполнению: на стационарные, с вращающимся корпусом, с горизонтальным или вертикальным расположением рабочих органов);

- по физическим параметрам: с коротким шнеком или автогенные, с большим уклоном режущей кромки матрицы, с незначительным уклоном режущей кромки матрицы.

Экструдеры

Валковые

Шестренные

По типу рабочего органа -*

Одношнековые

Шнековые

=3=

Дисковые

Поршневые Комбинированные

Двухшнековые

Многошнековые

+ С коротким

шнеком

По физическим признакам -$-

С большим углом режущей кромки

С незначительным углом режущей кромки

По конструктивному исполнению

-^- ■ +

Стационарные С вращающимся корпусом С вращающимся шнеком С горизонтальным расположением шнека С вертикальным расположением шнека

1 1 1 1 1

По частоте вращения ^ -*

Нормальные

Быстроходные

Короткоствольные Ы><5:1

По длине шнека -1-

Среднествольные 5:1 <Ы>< 10:1

Длинноствольные 10:1 < < 30 :1

По рабочему давлению в предматричной зоне 1

Низкого давления до 2 МПа

Среднего давления до 5 МПа

Высокого давления до 25 МПа

Рисунок 1.1 Классификация экструдеров

Наибольшее применение в промышленности получили шнековые экструдеры [74, 102], которые выпускаются с одним или двумя шнеками (рисунок 1.1). Одношнековые экструдеры [74, 102] отличаются друг от друга конструкцией шнеков, которые могут выполняться с уменьшающимся шагом шнека, с увеличивающимся диаметром вала шнека или с коническим

корпусом (рисунок 1.2). Двухшнековые экструдеры разделены на два больших класса: экструдеры с зацепляющимися шнеками и экструдеры с касающимися шнеками. Двухшнековые экструдеры с касающимися практически не имеют преимуществ перед одношнековым экструдерами за исключением большей производительности. Двухшнековые экструдеры р зацепляющимися шнеками могут выпускаться с вращающимися как в одну, так и в разные стороны шнеками, в зависимости от направления нарезки

шнеков (рисунок 1.2) [74, 102].

Рисунок 1.2 Классификация шнековых экструдеров

Преимущество в использовании двухшнековых экструдеров состоит в том, что они обеспечивает точное объемное дозирование расплавленной массы, находящейся внутри машины, лучшее перемешивание и гомогенизацию расплава, самоочищение шнеков от налипающей на них массы, по сравнению с одношнековыми экструдерами. Следствием этих преимуществ является более высокое качество продукции, а также возможность переработки смесей с высоким содержанием жира и сахара [74, 102].

Бурное развитие китайской экономики привело к появлению недорогих мультифункциональных экструдеров китайского производства, с помощью которых можно получать продукцию, основанную как на простой экструзии

(хлебцы, колечки, мюсли, пелетты), так и коэкструзионную продукцию (палочки и подушечки с начинками) [147, 169]. Двухшнековые экструдеры выпускаются в Китае фирмами 8А1ВА1ЖЮ и БАГХШ (рисунок 1.3) [147, 169].

а) б)

а) экструдер серии 81Хх фирмы Ба^атио, б) экструдер фирмы 8а1хт Рисунок 1.3 Двухшнековые пищевые экструдеры производство КНР

Экструдеры фирмы 8а1хт выпускаются трех модификаций 0265-11/111, 0285-11/111 и 0856-111, отличающихся друг от друга производительностью по готовому, продукту (таблица 1.1). Все модификации экструдеров комплектуются автоматизированной системой управления, системой подачи воды в рабочую камеру, дозатором сырья и набором сменных фильер [147].

Таблица 1.1 Параметры экструдеров фирмы 8а1хт

Параметры экструдеров Модель экструдера 8а1хт

0856-111 0265-П/Ш 0285-П/Ш

Производительность, кг/час 120-150 180-220 500-800

Установленная мощность, кВт 35 45/60 90/95

Потребляемая мощность, кВт 22 30/45 75/80

Рабочее напряжение, В 380 380 380

Габаритные размеры (длина * ширина * высота), м 2,5 * 0,8 * 1,8 3,5 * 1,0* 1,98 4,5* 1,2*2,3/3,5-

Модельный ряд экструдеров серии БЬв фирмы БаШатио представлен семью экструдерами разной производительности (таблица 1.2) [169]. Шнеки экструдеров фирмы БаЛатио азотированы, что продлевает срок их службы. В систему управления экструдером встроена автоматическая система слежения и контроля температуры в рабочей зоне, что позволяет выпускать высококачественные коэкструзионные продукты питания [169]. Применение системы инверторов позволяет плавно регулировать параметры процессу экструзии, а принудительная система смазки предохраняет привод экструдера от преждевременного износа [169].

Таблица 1.2 Параметры экструдеров серии SLG фирмы Saibainuo

Параметры экструдеров Марка экструдера

SLG 65-1 SLG 65-III SLG 65-IV SLG 70-II SLG 85-1 SLG 85-И SLG 85-III

Производительность, кг/час 80100 130150 240260 240260 440500 450500 500600

Установленная мощность, кВт 25.75 34.75 '57.75 48.75 95 110 130

Потребляемая мощность, кВт 18 24 40 30 60 80 90,

Кроме КНР, экструдеры для производства коэкструдированных продуктов выпускаются европейскими и американскими фирмами Wenger Manufacturing (США), Extru-Tech (США), Buhler AG (Швейцария), Pavan Mapimpianti (Италия) [73, 149, 151]. Эти фирмы выпускают экструдеры (рисунок 1.4), предназначенных для выпуска не только коэкструдированных продуктов питани�