Энергосберегающий экструдер
ENERGY-CONSERVING EXTRUDER

Изобретение относится к пищевому машиностроению, в частности к устройствам для экструдирования крахмалосодержащего сырья.
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.
Принцип работы экструдера 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 увеличению линейных размеров получаемого продукта. Соответственно в 2-4 раза увеличиваются объем и пористость экструдата. Содержание влаги в экструдированном продукте регулируют за счет давления в вакуумной камере с помощью вакуум-регулятора.
Использование изобретения позволяет упростить систему отвода и конденсации влаги из получаемого экструдата при уменьшении энергозатрат на осуществление этого процесса [1].
К недостаткам 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 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.
Известен экструдер с вакуумной камерой, который состоит из загрузочной камеры, корпуса, шнека, фильеры, вакуумной камеры, шлюзового затвора, вакуум-насоса, вакуум-регулятора и вакуумметра.
Вакуумная камера экструдера расположена соосно шнеку и фильере матрицы.
Загрузочная камера экструдера по всему своему периметру выполнена в виде двустенной конструкции, верхняя часть которой соединена посредством трубопровода с вакуумным насосом, а нижняя - с вакуумной камерой экструдера. Наружная сторона загрузочной и вакуумной камер экструдера, а также соединяющий их трубопровод, покрыты теплоизоляционным материалом. В нижней части двустенной конструкции загрузочной камеры расположена пробка для слива конденсата. С целью более точного регулирования давления в вакуумной камере, вакуум-регулятор расположен между загрузочной и вакуумной камерами экструдера.
Техническое решение данного экструдера с вакуумной камерой, выбранного в качестве прототипа для заявляемого объекта, позволяет снизить энергозатраты на выполнение рабочего процесса экструдера с одновременным повышением эффективности удаления влаги из получаемого экструдата [2].
Недостатком прототипа являются высокие энергетические затраты на выполнение технологического процесса экструдирования.
Целью предлагаемого изобретения является повышение энергетической эффективности рабочего процесса экструдера. Заявленный результат достигается за счет более рационального использования энергетических ресурсов, потребных для работы экструдера.
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 привода экструдера преобразуется в энергию неупорядоченных процессов в виде приращения теплоты в обрабатываемом сырье. В качестве промежуточного звена этого преобразования выступает механическая энергия сил сдвига и трения обрабатываемого сырья. Как следствие этого факта, обработка сырья с помощью автогенных экструдеров относится к чрезвычайно энергоемким процессам. При этом следует особо отметить, что высокая энергоемкость рабочего процесса экструдера связана с применением в нем в качестве исполнительного механизма шнека, с помощью которого обрабатываемое сырье в процессе перемещения по внутреннему тракту (объему) машины должно быть нагрето как минимум до температуры кипения его жидкой фазы.
Второй рабочей функцией шнека является создание необходимого давления в обрабатываемом сырье в момент выхода его из фильеры матрицы.
Предполагается, что техническое решение заявляемого энергосберегающего экструдера должно обеспечить реализацию указанных рабочих функций шнека с меньшими энергетическими затратами.
В заявляемом энергосберегающем экструдере шнек предлагается заменить винтовой парой (насосом), которая обеспечит необходимое рабочее давление в обрабатываемом сырье, а также его перемещение от загрузочной части машины до фильеры. Первую из указанных функций шнека - нагрев сырья, в заявляемом экструдере предлагается осуществлять с помощью индукционного нагревателя.
На фиг. 1. изображена конструктивно-технологическая схема заявляемого энергосберегающего экструдера.
Энергосберегающий экструдер включает мотор-редуктор 1, загрузочную камеру 4 с расположенным в ней питающим шнеком 5 с приводом 6, винтовой насос, индукционный нагреватель 14, фильеру матрицы 11, вакуумную камеру 12, шлюзовой затвор 13, вакуумный насос 3, вакуум-регулятор 9 и вакуумметр 10.
Корпус экструдера выполнен составным. В его передней части расположен винтовой насос, состоящий из металлического ротора 16 и статора 8 с эластичной обкладкой. Между винтовыми поверхностями такой пары (героторной) образуются рабочие камеры (капсулы-шлюзы).
Рабочие камеры в процессе вращения ротора в неподвижном статоре периодически открываются и закрываются, что приводит к всасыванию и нагнетанию насосом перекачиваемой среды. При этом количество таких камер (замкнутых полостей на единицу длины винтовой пары) определяет максимальное давление винтовой пары, а объем каждой полости - ее производительность.
Во второй части корпуса расположено нагревающее устройство. Оно представляет собой стальную трубу 15, охваченную индуктором 14, выполненным в виде нескольких витков изолированного медного провода. Между стальной трубой 15 и корпусом энергосберегающего экструдера расположен слой теплоизоляционного материала. Торец стальной трубы 15 упирается в фильеру матрицы 11 экструдера, представляющую собой пластину с одним или несколькими отверстиями определенного диаметра. Количество и диаметр отверстий зависят от потребной производительности экструдера.
Нагрев обрабатываемого сырья происходит за счет джоулева тепла, выделяющегося в стенках стальной трубы 15 под действием индуцированных токов.
Конструкция загрузочной камеры экструдера позволяет осуществлять предварительный подогрев обрабатываемого сырья. С этой целью верхняя часть загрузочной камеры 4 выполнена одностенной, с боковыми стенками, расположенными под углом, меньшим угла трения обрабатываемого сырья о материал стенки загрузочной камеры 4, а ее нижняя часть представляет собой цилиндрическую двустенную конструкцию, межстенное пространство 7 которой с помощью трубопроводов соединено с вакуумным насосом 3 и вакуумной камерой 12 экструдера.
Цилиндрическая часть загрузочной камеры 4 и вакуумная камера 12 экструдера с внешней стороны покрыты теплоизоляционным материалом (например, напыляемым утеплителем 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 7 загрузочной камеры 4 в ее нижней части предусмотрена специальная пробка 2. Для обеспечения необходимой устойчивости конструкции при воздействии пониженного давления, в межстенном пространстве цилиндрической части загрузочной камеры 4 дополнительно устанавливаются ребра жесткости (на фиг. 1 не показаны).
Шлюзовой затвор 13 служит для выгрузки готового продукта без разгерметизации вакуумной камеры 12 экструдера. Он представляет собой корпус цилиндрической формы и вращающуюся в нем многолопастную (4-12 шт.) крыльчатку (ротор) на шариковых подшипниках.
Вакуумный насос 3 служит для создания в вакуумной камере экструдера пониженного давления (давления ниже атмосферного), равного 0,05-0,07 МПа.
Вакуум-регулятор 9 необходим для поддержания пониженного давления в вакуумной камере 12 экструдера в заданных пределах при требуемых производительности экструдера, а также влажности обрабатываемого сырья и готового продукта. Для контроля давления в вакуумной камере экструдера служит вакуумметр 10.
Рабочий процесс заявляемого энергосберегающего экструдера осуществляется следующим образом.
Обрабатываемое сырье с помощью подающего шнека 5 загрузочной камеры 4 подается в рабочую зону винтового насоса энергосберегающего экструдера. Соприкасаясь с внутренними горячими стенками цилиндрической части загрузочной камеры 4, оно повышает свою температуру, и в винтовой насос энергосберегающего экструдера поступает при температуре примерно 40-45°С.
В зоне индукционного нагрева температура сырья повышается до 100-120°С, и при давлении нагнетания винтового насоса 0,8-0,9 МПа оно выводится через отверстия фильеры матрицы 11 в вакуумную камеру 12.
Попадая из области высокого давления (в стальной трубе 15) в зону низкого давления (в вакуумную камеру 12), нагретое сырье подвергается декомпрессионному взрыву, который представляет собой процесс мгновенного перехода жидкости, находящейся в сырье, в пар.
Образующийся пар температурой 100-120°С с помощью вакуумного насоса 3 перемещается в межстенное пространство 7 цилиндрической части загрузочной камеры 4, где часть его конденсируется и в виде жидкости стекает в нижнюю часть загрузочной камеры 4. Оставшаяся часть пара удаляется вакуумным насосом 3 в атмосферу (ротационный насос) или поглощается рабочей жидкостью (водокольцевой насос). Готовый продукт с помощью шлюзового затвора 13 выводится за пределы энергосберегающего экструдера и подается на фасование.
Таким образом, снижение энергозатрат на выполнение рабочего процесса экструдера (повышение энергоэффективности его рабочего процесса) обеспечивается за счет замены шнекового рабочего органа экструдера на винтовой насос и индукционный нагреватель, а также путем замещения части энергии электрического привода машины энергией (теплотой) горячего пара, выделяющегося из экструдата в процессе его интенсивного обезвоживания в условиях пониженного давления.
Уровень энергосбережения заявляемого экструдера можно оценить исходя из следующей информации.
Одной из наиболее широко применяемых в производстве и серийно выпускаемых машин для получения экструдированных кормов является одношнековый экструдер КМЗ-2У. Его производительность составляет 0,32-0,36 т/ч при потребляемой из сети активной мощности 47-54 кВт. В процессе работы обрабатываемое сырье нагревается до температуры 110-120°С и поступает к матрице фильеры при рабочем давлении равном 1,0-2,0 МПа.
Потребляемая мощность заявляемого энергосберегающего экструдера с такой же часовой производительностью составит примерно 15,5 кВт. При этом распределение мощности ориентировочно таково: привод питающего шнека - 0,75 кВт, привод винтового насоса - 2,5 кВт, индуктивный нагрев сырья - 10 кВт, привод вакуумного насоса - 1,5 кВт, привод шлюзового затвора - 0,75 кВт. В приведенных данных не учитывается экономия энергоресурсов за счет рекуперации теплоты пара, выделяющегося из обрабатываемого в вакуумной камере 12 экструдата.
Пример выполнения заявляемого энергосберегающего экструдера.
3
В качестве основы для изготовления энергосберегающего экструдера может быть взята установка ВН-12-1,35/6-187, выпускаемая производственной компанией «Ампика» (Россия). Установка предназначена для перекачивания строительных штукатурных растворов, цементных растворов, пенобетона и т.п. с размерами частиц до 5 мм и представляет собой героторный насос с бункером на 100 литров и мотор-редуктором с частотным преобразователем. Частотный преобразователь обеспечивает регулирование подачи и подбор оптимальных оборотов для перемещения сырья с различной вязкостью. Подача насоса - 1,35 м/ч, напор - 1,0 МПа. Мощность привода (с учетом электродвигателя шнекового питателя бункера) - 2,2 кВт. Напряжение питания - 220 В.
Бункер установки выполнен в виде двустенной конструкции, устойчивость которой при воздействии пониженного давления обеспечивается ребрами жесткости, дополнительно установленными в межстенном пространстве.
В качестве индукционного нагревателя может быть использована труба из ферромагнитной нержавеющей стали и индуктор, снабженный системой управления его рабочим процессом.
Вакуумная камера экструдера может быть изготовлена из металла или пластмассы, предназначенных для взаимодействия с пищевыми продуктами. Вакуум-провод влажного горячего воздуха может быть выполнен из коррозионностойкого материала.
Вакуумный насос 3, вакуум-регулятор 9 и вакуумметр 10 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. Экструдер с вакуумной камерой. Патент RU 2561934 С1, опубл. Бюл. №25, 10.09.2015.
2. Экструдер с вакуумной камерой. Патент RU 192684 U1, опубл. Бюл. №27, 26.09.2019.