ЭКСТРУДЕР С ВАКУУМНОЙ КАМЕРОЙ
EXTRUDER WITH VACUUM CHAMBER

Изобретение относится к пищевому машиностроению, в частности к устройствам для экструдирования крахмалосодержащего сырья.
Известен способ производства экструдатов, включающий очистку зерна, экструдирование и измельчение экструдата. В качестве обрабатываемых материалов используют зерна пшеницы, ржи, ячменя, овса, риса, гречихи, проса, кукурузы, сои с массовой долей влаги 12…18% отдельно или в смеси без предварительного шелушения поверхности. Целые зерна экструдируют в течение 15…25 с при температуре 100…140°C с последующим воздействием на выходящее из фильеры матрицы экструдера сырье пониженным давлением, равным 0,03…0,07 МПа, при этом содержание влаги в экструдированном продукте регулируют величиной вакуума на выходе из экструдера на уровне не более 8%. Экструдат при выходе из фильеры матрицы разрезают на частицы размером 1,0…4,0 мм.
Для реализации данного способа экструдер оснащается вакуумной камерой, расположенной на выходе из фильеры матрицы [1].
К недостаткам известного способа относятся цикличность рабочего процесса экструдера, т.к. после заполнения вакуумной камеры экструдатом необходима остановка машины для выгрузки полученного продукта.
Известен также способ автоматического управления экструдером, предусматривающий измерение температуры и давления сырья в предматричной зоне, расхода и влажности исходного сырья и экструдата на выходе из вакуум-камеры, температуры и расхода теплоносителя в рубашке экструдера, давления в вакуум-камере, температуры и расхода испарившейся из продукта влаги, отводимой из вакуум-камеры на конденсацию с регулированием мощности приводов экструдера и вакуум-насоса.
По технической сущности конструкция экструдера, с помощью которого реализуется данный способ, является наиболее близкой к предлагаемому изобретению, так как в ее состав входят собственно экструдер, вакуумная камера и шлюзовой затвор.
В процессе реализации данного способа экструдируемое сырье из формующей головки машины поступает в вакуумную камеру, где в результате резкого перепада температуры и давления происходит мгновенное испарение из продукта влаги. При этом необходимая величина пониженного давления (вакуум) в вакуум-камере достигается за счет регулирования мощности привода вакуум-насоса, осуществляемого с помощью датчиков автоматизированной системы управления работой экструдера.
Испарившаяся из продукта влага конденсируется в холодоприемнике пароэжекторной холодильной машины, состоящей из эжектора, испарителя, холодоприемника, конденсатора, в качестве которого используют рубашку экструдера, сборника конденсата, насоса для подачи конденсата в парогенератор, терморегулирующего вентиля, насоса рециркуляции хладагента, парогенератора с предохранительным клапаном и работающей по замкнутому термодинамическому циклу [2].
К недостаткам экструдера, реализующего приведенный способ, относятся недостаточная эффективность и сложность системы отвода и конденсации влаги, выделяющейся из экструдата, а также то, что необходимое давление в вакуум-камере экструдера достигается изменением мощности привода вакуум-насоса, что значительно усложняет его конструкцию привода и точность регулирования давления в вакуумной камере экструдера.
Одним из факторов, влияющим на эффективность удаления влаги из экструдата, является то, что на его поверхности практически мгновенно образуется пленка, затрудняющая теплообмен продукта с окружающей средой, причем площадь этого теплообмена ограничена тем, что получаемый в данном способе экструдат выводится в виде непрерывной ленты (стренга). Этот фактор существенно повышает свою значимость в условиях, когда экструдат поступает в вакуумную камеру, где его теплообмен с окружающей средой будет протекать более интенсивно, чем при атмосферном давлении. Таким образом, при применении экструдера с вакуумной камерой длина частиц экструдата влияет на поверхность теплообмена, а значит и на эффективность испарения влаги и процесса сушки получаемого продукта.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение системы отвода и конденсации влаги из получаемого экструдата при уменьшении энергозатрат на осуществление этого процесса, возможность регулирования давления разрежения без необходимости изменения мощности привода вакуум-насоса, увеличение эффективности удаления влаги из экструдата.
Заявленный результат достигается тем, что вакуумная камера экструдера расположена соосно шнеку и фильере матрицы и включает в себя режущее устройство, шлюзовой затвор и вакуумную систему.
Вакуумная камера герметично крепится к корпусу экструдера, ее боковые стенки выполнены под углом, большим угла трения экструдата о материал стенки камеры (угла внешнего трения), что позволяет получаемому продукту перемещаться в нижнюю часть вакуумной камеры (в зону шлюзового затвора) и непрерывно выводится за ее пределы без изменения в ней давления (вакуума).
Режущее устройство выполнено в виде одного или нескольких вращающихся ножей, закрепленных на выходе экструдата из фильеры. Оно устанавливается для получения необходимого геометрического размера (длины) экструдата. При этом имеется возможность регулирования площади теплообмена получаемых частиц экструдата - чем меньше длина экструдата, тем больше поверхность теплообмена продукта с окружающей средой.
Шлюзовой затвор, представляющий собой корпус цилиндрической формы и вращающуюся в нем многолопастную (4-12 шт) крыльчатку (ротор) на шариковых подшипниках.
В верхней части вакуумной камеры имеется патрубок, который служит для соединения камеры с вакуумной системой, в состав которой входят вакуум-насос, вакуум-регулятор и вакуум-баллон.
Вакуум-насос служит для создания в вакуумной камере экструдера пониженного давления (давления ниже атмосферного).
Вакуум-регулятор служит для поддержания пониженного давления в вакуумной камере экструдера в заданных пределах при требуемых производительности машины, а также влажности сырья и готового продукта.
Для предохранения насоса от попадания в него жидкости, а также для выравнивания разрежения в вакуумной линии и сбора конденсата между ней и насосом устанавливают вакуум-баллон; для регулирования вакуума - вакуум-регулятор; для контроля вакуума - вакуумметр.
Вакуумным насосом осуществляется отсос влаги, выделяющейся из продукта в виде пара, в вакуум-баллон, который в нижней части оборудован крышкой для удаления конденсата. По периметру крышка имеет уплотнение в виде резиновой ленты и при включении вакуумного насоса прижимается к корпусу вакуум-баллона и под действием пониженного давления плотно к нему присасывается. По окончанию технологического процесса вакуумный насос отключается, и крышка под действием собственной массы и массы конденсата отходит от корпуса вакуум-баллона и конденсат удаляется в специальную емкость Вакуум-баллон, наряду с функцией удаления конденсата, позволяет поддерживать постоянное пониженное давление (вакуум) в вакуумной камере экструдера. С этой целью его рабочий объем принимается не меньшим, чем объем вакуумной камеры экструдера.
Необходимая величина вакуума устанавливается с помощью вакуум-регулятора, расположенного между вакуум-насосом и вакуум-баллоном. Такое расположение вакуум-регулятора обеспечивает более стабильный уровень вакуума в вакуумной камере экструдера в случае отклонений при выполнении технологического процесса экструдирования (подсос воздуха через неплотности в системе и в процессе работы шлюзового затвора, повышенная влажность исходного сырья и т.д.).
На фиг. 1 изображен общий вид экструдера с вакуумной камерой.
Экструдер с вакуумной камерой состоит из электродвигателя 1, клиноременной передачи 2, вала 3, загрузочной камеры 4, корпуса 5, шнека 6, фильеры 7, режущего устройства 8, вакуумной камеры 9, вакуумного насоса 10, шлюзового затвора 11, выгрузной камерой 12, вакуум-баллона 13 с крышкой для удаления конденсата (не показана) и вакуум-регулятора 14.
Принцип работы заявляемого в качестве изобретения экструдер с вакуумной камерой заключается в следующем.
Исходное сырье посредством загрузочной камеры направляется в шнековую часть экструдера. Захваченный шнеком продукт последовательно проходит зоны прессования и дозирования машины, а затем выводится через фильеру матрицы в вакуумную камеру.
В условиях быстрого перехода экструдата из области высоких давлений в условия пониженного давления, происходит декомпрессионный взрыв: вода, находящаяся в продукте, переходит в парообразное состояние с выделением значительного количества энергии, что приводит к деструкции клеточных структур обрабатываемого сырья и вспучиванию получаемого продукта. Линейные размеры вспученных продуктов возрастают более чем в 2…4 раза, а соответственно еще больше увеличивается объем и пористость экструдата.
Экструдат при выходе из фильеры матрицы с помощью вращающихся ножей разрезается на частицы размером 1,0…4,0 мм.
Продолжительность обработки составляет 15…25 с при температуре 110…140°C. Содержание влаги в экструдированном продукте регулируют за счет давления в вакуумной камере с помощью вакуум-регулятора.
Пример выполнения заявляемого устройства
Вакуумная камера экструдера может быть изготовлена из металла или пластмассы, предназначенных для взаимодействия с пищевыми продуктами.
Вакуумный баллон и вакуум-провод влажного воздуха могут быть выполнены из коррозионностойких материалов.
Вакуум-регулятор и вакуумный насос подбираются стандартные, согласно требуемой величине вакуума и диапазона его регулирования. Для этой цели могут быть использованы известные устройства, применяемые в установках для доения коров.
Шлюзовой затвор также подбирается стандартный (например, типа ШУ-15) из соображений технологичности или изготавливается из материалов, предназначенных для взаимодействия с пищевыми продуктами.
Литература
1. Способ производства экструдатов. Патент RU 2460315 С1, опубл. Бюл. №25, 10.09.2012.
2. Способ автоматического управления экструдером. Патент RU 2424903 С2, опубл. Бюл. №21, 20.07.2010.