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°С 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 (прототип), состоящий из загрузочной камеры (загрузочного бункера), корпуса, шнека, фильеры, вакуумной камеры, шлюзового затвора и вакуум-насоса [2].
Вакуумная камера экструдера-прототипа 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 процесса.
Принцип работы данного экструдера с вакуумной камерой, выбранного в качестве прототипа, заключается в следующем.
Исходное сырье посредством загрузочного бункера 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.
К недостаткам прототипа можно отнести недостаточно эффективное обезвоживание экструдата, получаемого из сырья с повышенной влажностью (35-40%). В процессе однократной обработки сырья в экструдере-прототипе, содержание воды в готовом продукте обычно составляет около 50% от этого показателя в обрабатываемом сырье. Между тем, хорошая сохраняемость получаемого экструдата без обеспечения специальных условий в части температурного и воздушного режимов обеспечивается при его влажности не больше 8-10%.
Недостаточно эффективное обезвоживание экструдата объясняется относительно низкой скоростью воздушного потока у поверхности экструдата, что в свою очередь ограничивает интенсивность переноса удаляемой из экструдата жидкости влажным паром, перемещающимся из вакуумной камеры экструдера в вакуум-баллон. Поэтому при обработке сырья влажностью более 30% необходимо проводить повторное экструдирование, или досушивать получаемый продукт до требуемой влажности с помощью какой-либо сушилки.
Предлагаемое техническое решение позволит повысить эффективность обезвоживания экструдата и обрабатывать с помощью заявляемого экструдера сырье с повышенной влажностью (30-40%). С этой целью экструдер оснащается двумя последовательно расположенными вакуумными камерами, каждая из которых имеет свою систему отвода и конденсации влаги.
Первая камера служит для предварительного обезвоживания экструдата; вторая - для окончательного.
Первая камера или камера предварительного обезвоживания включает в себя режущее устройство и систему отвода и конденсации влаги, состоящую из вакуумного насоса, вакуум-баллона, вакуум-регулятора и вакуум-метра. Данная камера выполнена соосно шнеку и фильере матрицы экструдера и в своей нижней части содержит воздушный кран. Кран служит для подсоса воздуха в вакуумную камеру, что в свою очередь интенсифицирует процесс отвода влажного пара от поверхности экструдата и дальнейшее его перемещение в вакуум-баллон. Воздушный кран находится в противоположной стороне от места размещения патрубка, соединяющего камеру с системой отвода и конденсации влаги.
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 суммарная поверхность теплообмена получаемого продукта с окружающей средой.
Вторая камера или камера окончательного обезвоживания расположена последовательно основной камере и находится между двумя шлюзовыми затворами. С помощью патрубка она соединена со своей системой отвода и конденсации влаги.
Системы отвода и конденсации влаги каждой из камер идентичны по устройству и отличаются друг от друга величиной рабочего давления (вакуума).
На фиг. 1 изображен общий вид заявляемой полезной модели. Экструдер состоит из загрузочного бункера 1, корпуса 2, шнека 3, фильеры матрицы 4, режущего устройства (на рисунке не показано), двух вакуумных камер 5 и 15, двух шлюзовых затворов 14 и 16, двух вакуум-баллонов 6 и 13, двух вакуумных насосов 9 и 10, а также двух вакуум-регуляторов 7 и 12 и вакуум-метров 8 и 11.
Вакуумная камера 5 экструдера, служащая для предварительного обезвоживания экструдата, выполнена соосно шнеку и фильере матрицы. Вакуумная камера 15, обеспечивающая окончательное обезвоживание экструдата, расположена последовательно камере 5 и на входе и выходе ограничена шлюзовыми затворами 16 и 14.
Каждый из двух шлюзовых затворов 16 и 14 служит для выгрузки получаемого продукта без разгерметизации соответствующей вакуумной камеры экструдера и выполнен в виде корпуса цилиндрической формы с вращающимся в нем многолопастным ротором.
Вакуум-насосы 9 и 10 обеспечивают в соответствующих вакуумных камерах экструдера необходимой величины пониженного давления (вакуума).
Вакуум-баллоны 6 и 13 служат для сглаживания колебаний вакуума в системе, а также конденсации влаги отводимого из камер 5 и 15 горячего воздуха. С целью удаления конденсата из системы вакуум-баллоны 6 и 13 оснащены шарнирно закрепленными крышками с уплотняющим элементом (на рисунке позицией не обозначены).
Вакуум-регуляторы 7 и 12 необходимы для поддержания пониженного давления в вакуумных камерах 5 и 15 в заданных пределах при требуемой производительности машины, а также влажности обрабатываемого сырья и готового продукта.
Для контроля давления в вакуумных камерах экструдера служат вакуумметры 8 и 11.
Рабочий процесс заявляемого экструдера с вакуумной камерой осуществляется следующим образом. Обрабатываемое сырье поступает в загрузочный бункер экструдера 1. Захваченное шнеком 3, оно последовательно перемещается через зоны прессования и дозирования машины, при этом нагревается до температуры 120-130°С, а затем выводится через фильеру матрицы 4 в вакуумную 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 низкого давления (в вакуумную камеру 5), сырье подвергается декомпрессионному взрыву, который представляет собой процесс мгновенного перехода воды, находящейся в сырье, в пар. Следует особо отметить, что в процессе перехода воды в газообразное состояние и испарения ее с поверхности, и частично с более глубинных слоев экструдата, продукт охлаждается примерно на 20-30°С.
Образующийся горячий пар с помощью вакуумного насоса 9 перемещается в вакуум-баллон 6, где конденсируется и в виде жидкости стекает в нижнюю часть вакуум-баллона. При этом в камеру 5 (камеру предварительного обезвоживания) с помощью воздушного крана 17 подается воздух, что в свою очередь интенсифицирует процесс отвода влажного пара от поверхности экструдата и дальнейшего его перемещения в вакуум-баллон 6. Вакуум-регулятор и впускаемый в камеру воздух обеспечивают в камере предварительного обезвоживания экструдера необходимое давление.
Предварительно обезвоженный в камере 5 экструдат с помощью шлюзового затвора 16 перемещается в камеру 15, где с помощью вакуумного насоса 10 поддерживается более низкое рабочее давление, чем в камере 5. Этого давления (вакуума) достаточно для того, чтобы экструдат с температурой примерно 90-100°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 15 (камеры окончательного обезвоживания) в вакуум-баллон 13.
Содержание влаги в экструдированном продукте регулируют за счет давления в вакуумных камерах 5 и 15 с помощью вакуум-регуляторов 7 и 12, а также величиной подсоса воздуха посредством воздушного крана 17 камеры 5.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволит повысить эффективность обезвоживания экструдата и обрабатывать с помощью заявляемого экструдера сырье с повышенной влажностью.
Пример выполнения заявляемого устройства
Вакуумная камера экструдера 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 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 2 561 934 С1, опубл. Бюл. №25, 10.09.2015.