Агрегат для термовакуумной экструзии растительного сырья
UNIT FOR THERMAL-VACUUM EXTRUSION OF PLANT RAW MATERIALS

Изобретение относится к пищевому машиностроению, в частности к устройствам для экструдирования крахмалосодержащего сырья растительного происхождения.
Известен 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 [1].
Принцип работы данного экструдера заключается в следующем. Исходное сырьё из загрузочной камеры поступает в шнековую часть экструдера, откуда посредством шнека последовательно перемещается через 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. Содержание влаги в экструдированном продукте регулируется путем изменения давления воздуха в вакуумной камере с помощью вакуум-регулятора.  К недостаткам такого экструдера 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 образующийся при этом конденсат снижает эффективность обезвоживания получаемого экструдата.
2. Эффективность технологического процесса экструдера существенно снижается при обработке сырья с влажностью более 30%.
Известен экструдер для переработки влажной массы в виде птичьего помета или навоза, который имеет три рабочие зоны: сорбционной сушки, экструзионной обработки и вакуумного досушивания
В зоне сорбционной сушки размещены: дозирующее устройство, вертикально расположенный шнек и рабочая камера с мешалкой. Дозирующее устройство установлено перед шнеком и служит для подачи в рабочую камеру сорбента, в качестве которого используется солома, отходы деревообработки или сухой экструдированный помет, нереализованный в установленные сроки.
Зона экструзионной обработки представлена горизонтально расположенным  шнеком и фильерой.
Зона вакуумного досушивания размещена после зоны экструзионной обработки и в ней установлены конденсатор, вакуумный насос и шлюзовой затвор [2].
Данный экструдер выбран в качестве прототипа и  работает следующим образом.
Поступающая для переработки влажная масса подается в рабочую камеру посредством шнека, где с помощью мешалки интенсивно перемешивается с сорбентом, что в свою очередь снижает влажность.  Объем поступающего в экструдер с помощью дозирующего устройства сорбента, регулируется исходя из влажности обрабатываемого сырья. Начавшийся в блоке сорбционной сушки процесс влагопереноса между сорбирующим материалом и пометом завершается в зоне экструзионной обработки, где реализуется термопластическое воздействие на сырье. При продавливании обрабатываемого сырья шнеком экструдера через его фильеру в зону вакуумного досушивания, происходит резкий сброс давления, что приведет к взрывному испарению воды и снижению влажности готового продукта. Для интенсификации процесса экструзионного обезвоживания взрывное испарение будет выполняться в вакуумной камере. Пониженное давление в вакуумной камере будет обеспечиваться конденсатором и вакуумным насосом.
Недостатки прототипа:
1. Теплота водяного пара, выделяющегося в процессе декомпрессионного взрыва, полезно не используется.
2. Недостаточно эффективное обезвоживание экструдата. В процессе однократной обработки сырья в такой машине, содержание воды в готовом продукте обычно составляет не более 50% от этого показателя в обрабатываемом сырье. Между тем, приемлемое качество получаемого экструдата без обеспечения специальных условий при его хранении в части температурного и воздушного режимов обеспечивается при влажности продукта не больше 8-10%.
3. Сложность регулировки влажности готового продукта, обусловленная обязательным применением сорбента. В прототипе этот важнейший технологический параметр экструдированного готового продукта зависит от количества добавляемого к обрабатываемому сырью сорбента и их влажности, а также давления воздуха в вакуумной камере, регулировка которого конструкцией прототипа не предусмотрена. При этом в случае недостаточно высокой влажности обрабатываемого сырья применение прототипа не представляется возможным без предварительного увлажнения обрабатываемого материала.
Целью предлагаемого изобретения является повышение энергоэффективности агрегата для термовакуумной экструзии растительного сырья и упрощение его технологических регулировок – влажности обрабатываемого сырья и готового продукта.
Заявленный результат достигается за счет использования теплоты водяного пара, выделяющегося в момент декомпрессионного взрыва, на предварительный нагрев обрабатываемого сырья, а также регулирования содержание влаги обрабатываемого сырья и готового продукта без применения сорбентов.
Известно, что рабочий процесс одношнекового экструдера, с позиции термодинамической теории, основан на использовании теплоты, генерируемой непосредственно в тракте машины путем диссипации (рассеивания) энергии электрического тока привода. По существу энергия упорядоченного процесса в виде электрического тока в приводе экструдера превращается в энергию неупорядоченных процессов в качестве приращения теплоты в обрабатываемом сырье. В качестве промежуточного звена этих превращений выступает механическая энергия 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. Для этого обрабатываемое сырье перед поступлением в экструдер предварительно нагревается с помощью горячего пара, поступающего из воздушной и вакуумной камер машины.
Регулирование влажности обрабатываемого сырья предлагается путем продувки через его слой горячего влажного водяного пара или горячего подсушенного водяного пара (при включенных ТЭНах).
Регулирование влажности готового продукта может быть выполнено за счет изменения давления в вакуумной камере экструдера с помощью вакуум-регулятора, а также путем изменения влажности обрабатываемого сырья.
На фиг. 1 изображена конструктивно-технологическая схема заявляемого агрегата для термовакуумной экструзии.
Агрегат состоит из термовакуумного экструдера, газового эжектора, вентилятора, воздушных ТЭНов, бункерного смесителя, измельчителя и дозаторов.
Термовакуумный экструдер включает загрузочную камеру 1, корпус 2, шнек 3, фильеру матрицы 4, режущее устройство (на чертеже позицией не обозначено), воздушную камеру предварительного обезвоживания 5, вакуумную камеру окончательного обезвоживания 16, двух шлюзовых затворов 15 и 18, вакуум-насос 10, вакуум-метр 11, вакуум-регулятор 12 и вакуум-баллон 13.
Воздушная камера предварительного обезвоживания 5 расположена соосно корпусу экструдера 2 и соединена трубопроводом 6 с элементом газового эжектора 8, замкнутым на пассивный поток. Для впуска воздуха в камере предусмотрен воздушный кран 19.
Вакуумная камера окончательного обезвоживания 16 расположена последовательно камере 5 и ограничена с обеих сторон шлюзовыми затворами 18 и 15. С вакуум-баллоном 12 камера соединена трубопроводом 14. Для впуска воздуха в вакуумную камеру служит воздушный кран 17.
Активная (эжектирующая) линия газового эжектора является продолжением выходного патрубка вакуум-насоса, посредством которого откачивается водяной пар из камеры окончательного обезвоживания.
Шлюзовой затвор 18 обеспечивает выгрузку предварительно обезвоженного продукта без разгерметизации камеры 5. Он представляет собой корпус цилиндрической формы и вращающуюся в нем многолопастную (4-12 шт.) крыльчатку (ротор) на шариковых подшипниках.
Шлюзовой затвор 15 служит для выгрузки окончательно обезвоженного продукта за пределы экструдера без разгерметизации камеры окончательного обезвоживания 16.
Для создания в вакуум-баллоне 13 и соответственно в вакуумной камере 16 пониженного давления (давления ниже атмосферного) в экструдере предусмотрен вакуумный насос 10.
Вакуум-регулятор 12 необходим для регулирования и поддержания заданного давления в вакуум-баллоне 13. Для контроля давления в вакуум-баллоне экструдера служит вакуум-метр 11.
Камеры предварительного и окончательного обезвоживания, а также трубопроводы, соединяющие составные части агрегата с газовым эжектором, вентилятором, смесителем, вакуум-баллоном и вакуум-насосом, с внешней стороны покрыты теплоизоляционным материалом (например, напыляемый утеплитель PENOPLEX).
В верхней части экструдера смонтированы вентилятор 20, воздушные ТЭНы 21 и бункерный смеситель 23 с перфорированной камерой 22, соединенные между собой трубопроводом. Над смесителем установлены измельчитель 24, а также дозаторы обрабатываемого сырья 25.
Рабочий процесс заявляемого агрегата осуществляется следующим образом. Обрабатываемое сырье с помощью дозаторов 25 подается в измельчитель 24, после чего  поступает в смеситель 23.
В процессе перемешивания сырье подогревается путем подачи в перфорированную камеру 22 горячего пара с той или иной влажностью, а затем поступает в загрузочную камеру 1 экструдера.  Захваченное шнеком 3 оно последовательно проходит зоны прессования и дозирования машины, нагреваясь до температуры 140-150°С, а затем выводится через фильеру матрицы 4 в камеру предварительного обезвоживания 5.
При выходе из фильеры матрицы экструдат с помощью режущего устройства разрезается на частицы с заданной длиной.
Попадая из области высокого давления (во внутреннем тракте экструдера) в зону атмосферного давления (в камеру предварительного обезвоживания) сырье подвергается декомпрессионному взрыву, который представляет собой процесс мгновенного перехода воды, находящейся в сырье, в пар. В процессе испарения жидкости с поверхности экструдата его температура снижается примерно на 20°С.
Образующийся горячий пар температурой 120-130°С по трубопроводу 6 отсасывается с помощью пассивного потока эжектора 8 и далее поступает с помощью активного потока эжектора в трубопровод 7.
С целью интенсификации отвода влажного пара от поверхности экструдата в камеру предварительного обезвоживания с помощью воздушного крана 19 подается незначительный объем воздуха. В зависимости от интенсивности поступающего в камеру горячего пара и воздуха, а также удаляемой из камеры воздушной смеси, в камере предварительного обезвоживания 5 будет атмосферное давление или небольшое разрежение (вакуум).
С помощью шлюзового затвора 18 предварительно обезвоженный экструдат перемещается в камеру окончательного обезвоживания 16. В этой камере за счет вакуумного насоса 10 поддерживается более низкое рабочее давление (вакуум), чем в камере предварительного обезвоживания. Величины этого давления (вакуума) достаточно для того, чтобы экструдат с температурой примерно 100-110°С снова подвергся декомпрессионному взрыву, и часть оставшейся жидкости в продукте вскипела и выделилась из него в виде пара. Образующейся пар удаляется за пределы камеры  окончательного обезвоживания 16 в вакуум-баллон 13.
Вакуумный насос 10 служит для создания в вакуумной камере окончательного обезвоживания экструдера пониженного давления (давления ниже атмосферного).
Вакуум-регулятор 12 необходим для поддержания пониженного давления в камере окончательного обезвоживания в заданных пределах при требуемой влажности готового продукта. Для контроля давления в камере окончательного обезвоживания экструдера служит вакуум-метр 11. Вакуум-баллон 13 служит для выравнивания давления воздуха в системе и сбора конденсата.
Эффективное удаление влаги из готового продукта в камере окончательного обезвоживания обеспечивается достаточно высоким уровнем вакуума. При этом величина вакуума во второй камере должна быть выше, чем в первой на 50-55 кПа. Содержание влаги в готовом экструдированном продукте регулируют помощью вакуум-регулятора 12. Объем откачиваемого из камеры окончательного обезвоживания водяного пара, вместе с ним и скорость активного потока в эжекторе, регулируется с помощью воздушного крана 17.
При этом система регулирования влажности готового продукта в предлагаемой конструкции экструдера по сравнению с прототипом упрощается, так как этот параметр будет в первую очередь зависеть от величины вакуума в камере окончательного обезвоживания и достаточно эффективно изменяется с помощью вакуум-регулятора 12. Величина вакуума в камере окончательного обезвоживания влияет на влажность готового продукта напрямую и опосредованно. Напрямую – с повышением вакуума, массовая доля воды в готовом продукте будет ниже. Косвенно: повышение вакуума в камере окончательного обезвоживания приведет к увеличению объема откачиваемого пара, который будет способствовать интенсификации инжектируемого потока пара, удаляемого из камеры предварительного обезвоживания. Таким образом, впуск воздуха в камеры предварительного и окончательного обезвоживания посредством воздушных кранов 19 и 17 будет служить вспомогательным средством для улучшения условий удаления водяного пара из камер и в незначительных пределах регулирования влажности получаемого экструдата.
Готовый продукт посредством шлюзового затвора 15 выводится за пределы экструдера и подается на фасование.
Повышение энергоэффективности заявляемого агрегата для термовакуумной экструзии растительного сырья предполагается путем регенерации части теплоты горячего пара, выделяющегося из экструдата в процессе его интенсивного обезвоживания, и использования этой теплоты для предварительного нагрева обрабатываемого сырья. С этой целью смесь горячего пара, поступающего из камер предварительного и окончательного обезвоживания в эжектор, с помощью вентилятора 20 подается в перфорированную камеру 23 бункерного смесителя 22 и нагревает сырье.
При обработке сырья с повышенной влажностью (более 30%), включаются один или два воздушных ТЭНа 21. При этом удаляемый из воздушной и вакуумной камер горячий водяной пар не только дополнительно нагревается, но и существенно снижает свою влажность.
В том случае, если обработке подвергается сырье с пониженной влажностью,  оно может дополнительно увлажняться за счет влажного горячего водяного пара, поступающего из камер экструдера, при выключенных ТЭНах.
Таким образом, снижение энергозатрат на выполнение рабочего процесса заявляемого агрегата (повышение его энергоэффективности) обеспечивается за счет замещения части энергии электрического привода машины энергией (теплотой) горячего пара, выделяющегося из экструдата в процессе его интенсивного обезвоживания в камерах предварительного и окончательного обезвоживания экструдера. При этом регулирование влажности обрабатываемого сырья осуществляется включением или отключением ТЭНов, а влажность готового продукта обеспечивается с помощью вакуум-регулятора экструдера. Все это свидетельствует о том, что цель предлагаемого изобретения в полной мере решается посредством обоснованных и перечисленных  в материалах заявки технических решений.
Пример выполнения заявляемого агрегата для термовакуумной экструзии растительного сырья.
Вакуумная камера агрегата может быть изготовлена из металла или пластмассы, предназначенной для взаимодействия с пищевыми продуктами.
Вакуум-провод для удаления влажного горячего пара может быть выполнен из коррозионностойкого материала.
Вакуумный насос, вакуум-баллон, вакуум-регулятор и вакуум-метр подбираются стандартные, согласно требуемой величине вакуума и диапазона его регулирования. Для этой цели могут быть использованы известные устройства, применяемые в установках для машинного доения коров.
Шлюзовой затвор также подбирается стандартный (например, типа ШУ-15) из соображений требуемой технологичности экструдера или изготавливается из материалов, предназначенных для взаимодействия с пищевыми продуктами.
Вентилятор, воздушные ТЭНы, бункерный смеситель, измельчитель, дозаторы и газовый эжектор могут быть выбраны на основе их технической характеристики из номенклатурного ряда данного оборудования, выпускаемого серийными партиями или по индивидуальному заказу на промышленных предприятиях.
Литература
1. Экструдер с вакуумной камерой. Патент RU 2561934 С1, опубл. Бюл. №25, 10.09.2015.
2. Экструдер для переработки влажной массы в виде птичьего помета или навоза. Патент RU 193201 U1, опубл. Бюл. №29, 16.10.2019.