Экструдер с вакуумной камерой

Полезная модель 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 110…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 экструдер с вакуумной камерой, состоящий из загрузочной камеры, корпуса, шнека, фильеры, вакуумной камеры, шлюзового затвора и вакуум-насоса. Вакуумная камера экструдера расположена соосно шнеку и фильере матрицы. Боковые стенки камеры выполнены под углом, меньшим угла трения экструдата о материал стенки камеры. Камера включает в себя режущее устройство и систему отвода и конденсации влаги, состоящую из вакуум-баллона и вакуум-регулятора. Для удаления конденсата из системы вакуум-баллон оснащен шарнирно закрепленной крышкой с уплотняющим элементом. Объем вакуум-баллона примерно равен объему вакуумной камеры. Вакуум-регулятор расположен между вакуум-баллоном и вакуумным насосом.
Использование изобретения позволяет упростить систему отвода и конденсации влаги из получаемого экструдата при уменьшении энергозатрат на осуществление этого процесс [2].
Принцип работы данного экструдера с вакуумной камерой, выбранного в качестве прототипа, 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 увеличению линейных размеров получаемого продукта. Соответственно 2-4 раза увеличиваются объем и пористость экструдата. Содержание влаги в экструдированном продукте регулируют за счет давления в вакуумной камере с помощью вакуум-регулятора. К недостаткам прототипа можно отнести следующее:
1. Теплота выделяющегося в процессе декомпрессионного взрыва водяного пара полезно не используется. Более того, в процессе соприкосновения этого пара с внутренней стороной стенки вакуумной камеры экструдера, пар конденсируется, и образующейся при этом конденсат снижает эффективность обезвоживания получаемого экструдата.
2. В процессе конденсации пара, давление в вакуумной камере неконтролируемо изменяется, а вакуум-регулятор, расположенный между вакуум-баллоном и вакуумным насосом, в этом случае свою роль практически не выполняет.
3. Интенсивность конденсации водяного пара в вакуумной камере экструдера зависит от температуры в производственном помещении. В летнее время года теплота пара расходуется на нагрев внешней стороны стенки вакуумной камеры и способствует возникновению опасного производственного фактора при эксплуатации экструдера. В холодное время года за счет этой теплоты в определенном интервале повышается температура воздуха в производственном помещении, при этом большая часть пара будет конденсироваться в вакуумной камере экструдера.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является снижение энергозатрат на выполнение рабочего процесса экструдера с одновременным повышением эффективности удаления влаги из получаемого экструдата.
Заявленный результат достигается за счет использования теплоты водяного пара, выделяющегося в момент декомпрессионного взрыва на предварительный нагрев обрабатываемого сырья, а также улучшения системы отвода и конденсации влаги из получаемого экструдата с возможностью более точного регулирования давления в вакуумной камере.
С этой целью в предлагаемом экструдере загрузочная камера по всему своему периметру выполнена в виде двустенной конструкции, верхняя часть которой соединена трубопроводом с вакуумным насосом, а нижняя - с вакуумной камерой экструдера. При этом снаружи загрузочная и вакуумная камеры экструдера, а также соединяющий их трубопровод покрыты теплоизоляционным материалом. В нижней части двустенной конструкции загрузочной камеры предусмотрена пробка для слива конденсата.
Кроме этого, по сравнению с прототипом, в заявляемой конструкции экструдера отсутствует вакуум-баллон, функции которого выполняет внутренняя полость загрузочной камеры, образуемая двумя стенками, а вакуум-регулятор расположен между загрузочной и вакуумной камерами экструдера.
Известно, что рабочий процесс одношнекового экструдера, с позиции термодинамической характеристики, осуществляется с использованием теплоты, генерируемой непосредственно в тракте машины за счет диссипации энергии электрического тока привода. В качестве промежуточного звена этого процесса выступает механической энергии сил сдвига и трения обрабатываемого сырья. Как следствие этого факта, обработка сырья с помощью автогенных экструдеров относится к чрезвычайно энергоемким процессам. В заявляемом экструдере часть энергии привода, необходимой для реализации рабочего процесса машины, предлагается заместить энергией (теплотой) горячего пара, выделяющегося из экструдата в процессе его интенсивного обезвоживания. На фиг. 1 изображен общий вид экструдера с вакуумной камерой. Экструдер состоит из загрузочной камеры 4, корпуса 8, шнека 9, фильеры матрицы 11, вакуумной камеры 2, шлюзового затвора 1, вакуум-насоса 5, вакуум-регулятора 10 и вакуум-метра 3. Вакуумная камера 2 экструдера расположена соосно шнеку 9 и фильере матрицы 11.
Конструкция загрузочной камеры экструдера, в межстенное пространство которой поступает горячий пар из вакуумной камеры, позволяет осуществлять предварительный подогрев обрабатываемого сырья. С этой целью верхняя часть загрузочной камеры соединена посредством трубопровода с вакуумным насосом, а нижняя - с вакуумной камерой экструдера.
Загрузочная и вакуумная камеры экструдера с внешней стороны покрыты теплоизоляционным материалом (например, напыляемый утеплитель PENOPLEX). Соединяющий их трубопровод также теплоизолирован. В связи с тем, что теплота горячего пара будет расходоваться на нагрев сырья, поступающего в загрузочную камеру, большая часть пара будет конденсироваться в этой части экструдера. Для удаления конденсата из межстенного пространства загрузочной камеры в ее нижней части предусмотрена специальная пробка 7. Для обеспечения необходимой устойчивости конструкции при воздействии пониженного давления, в межстенном пространстве загрузочной камеры дополнительно устанавливаются ребра жесткости 6.
Шлюзовой затвор 1 служит для выгрузки готового продукта без разгерметизации вакуумной камеры машины. Он представляет собой корпус цилиндрической формы и вращающуюся в нем многолопастную (4-12 шт.) крыльчатку (ротор) на шариковых подшипниках.
Вакуум-насос 5 служит для создания в вакуумной камере экструдера пониженного давления (давления ниже атмосферного).
Вакуум-регулятор 10 необходим для поддержания пониженного давления в вакуумной камере экструдера в заданных пределах при требуемых производительности машины, а также влажности сырья и готового продукта. С учетом того, что в процессе конденсации пара давление в межстенном пространстве загрузочной камеры будет снижаться, вакуум-регулятор целесообразно установить между загрузочной и вакуумной камерами экструдера. Это позволит более точно регулировать давление в вакуумной камере экструдера. Для контроля давления в вакуумной камере экструдера служит вакуумметр 3.
Рабочий процесс заявляемого экструдера с вакуумной камерой осуществляется следующим образом. Обрабатываемое сырье поступает в загрузочную камеру экструдера и, соприкасаясь с ее внутренними горячими стенками, повышает свою температуру примерно на 20-25°C. В шнековую часть экструдера сырье поступает при температуре 40-45°C. Захваченное шнеком сырье последовательно проходит зоны прессования и дозирования машины, нагреваясь до температуры 100-110°C, а затем выводится через фильеру матрицы в вакуумную камеру.
Попадая из области высокого давления (во внутреннем тракте экструдера) в зону низкого давления (в вакуумную камеру) сырье подвергается декомпрессионному взрыву, который представляет собой процесс мгновенного перехода воды, находящейся в сырье, в пар.
Образующийся горячий пар температурой 100-110°C с помощью вакуумного насоса перемещается в межстенное пространство загрузочной камеры, где часть его конденсируется и в виде жидкости стекает в ее нижнюю часть. Оставшаяся часть пара удаляется вакуумным насосом в атмосферу (ротационный насос) или поглощается рабочей жидкостью (водокольцевой насос). Готовый продукт с помощью шлюзового затвора выводится за пределы машины и подается на фасование.
Таким образом, снижение энергозатрат на выполнение рабочего процесса экструдера (повышение энергоэффективности его рабочего процесса) обеспечивается за счет замещения части энергии электрического привода машины энергией (теплотой) горячего пара, выделяющегося из экструдата в процессе его интенсивного обезвоживания в условиях пониженного давления. В свою очередь, повышению эффективности удаления влаги из получаемого экструдата будет способствовать исключение условий для конденсации горячего пара в вакуумной камере экструдера и перенос этого процесса в межстенное пространство загрузочной камеры.
Пример выполнения заявляемого устройства.
Вакуумная камера экструдера может быть изготовлена из металла или пластмассы, предназначенных для взаимодействия с пищевыми продуктами. Из такого же материала может быть изготовлена и загрузочная камера, у которой для обеспечения необходимой устойчивости конструкции при воздействии пониженного давления, в межстенном пространстве дополнительно устанавливаются ребра жесткости.
Вакуум-провод влажного горячего воздуха может быть выполнен из коррозионностойкого материала.
Вакуумный насос, вакуум-регулятор и вакуумметр 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 требуемой 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. Экструдер с вакуумной камерой. Патент RU 2561934 С1, опубл. Бюл. №25, 10.09.2015.