Экструдер с вакуумной камерой

Полезная модель относится к пищевому машиностроению, в частности к устройствам для экструдирования крахмалосодержащего сырья.
Известен экструдер с вакуумной камерой, состоящий из загрузочной камеры (загрузочного бункера), корпуса, шнека, фильеры, вакуумной камеры, шлюзового затвора и вакуум-насоса [1].
Вакуумная камера этого 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 процесса.
К недостаткам этого экструдера можно отнести 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%.
Известен экструдер с вакуумной камерой, принятый за прототип и включающий загрузочную камеру, корпус, шнек, фильеру матрицы, режущее устройство, вакуумную камеру предварительного обезвоживания, вакуумную камеру окончательного обезвоживания, два шлюзовых затвора, вакуум-насос, вакуум-метр, вакуум-регулятор и вакуум-баллон [2].
Вакуумная камера предварительного обезвоживания расположена соосно корпусу экструдера и соединена с вакуум-баллоном трубопроводом. Для впуска воздуха в камере предусмотрен воздушный кран.
Вакуумная камера окончательного обезвоживания расположена последовательно камере предварительного обезвоживания и ограничена с обеих сторон двумя шлюзовыми затворами. Камера снабжена краном для подсоса воздуха, а диаметр сечения трубопровода, соединяющего ее с системой отвода и конденсации влаги, больше, чем у трубопровода, соединяющего камеру предварительного обезвоживания с этой же системой.
Содержание влаги в экструдированном продукте регулируют изменением величины вакуума в камерах предварительного и окончательного обезвоживания за счет вакуум-регулятора, а также величиной подсоса воздуха в этих камерах посредством воздушных кранов.
Рабочий процесс прототипа выполняется следующим образом. Обрабатываемое сырье поступает в загрузочную камеру экструдера и, захваченное шнеком последовательно проходит зоны прессования и дозирования машины, нагреваясь до температуры 120-130°С, а затем выводится через фильеру матрицы в вакуумную камеру предварительного обезвоживания. 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 пониженного давления (в вакуумную камеру предварительного обезвоживания) сырье подвергается декомпрессионному взрыву, который представляет собой процесс мгновенного перехода воды, находящейся в сырье, в пар. Пар с помощью вакуумного насоса перемещается в вакуум-баллон, где часть его конденсируется и в виде жидкости стекает в его нижнюю часть. Оставшаяся часть пара удаляется вакуумным насосом в атмосферу (ротационный насос) или поглощается рабочей жидкостью (водокольцевой насос).
С помощью шлюзового затвора предварительно обезвоженный экструдат перемещается в камеру окончательного обезвоживания экструдера. В этой камере поддерживается более низкое рабочее давление, чем в камере предварительного обезвоживания. Обеспечивается это тем, что с помощью воздушного крана сюда подается значительно меньший объем воздуха, чем в камеру предварительного обезвоживания. 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 окончательного обезвоживания в вакуум-баллон.
Готовый продукт посредством шлюзового затвора выводится за пределы экструдера и подается на фасование.
К недостаткам прототипа можно отнести повышенные затраты электроэнергии на работу вакуумной системы и сложность регулировки влажности готового продукта.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является упрощение ее конструкции с одновременным повышением энергоэффективности, а также упрощение системы регулирования влажности готового экструдированного продукта.
Заявленный результат достигается за счет включения в конструктивно-технологическую схему экструдера газового эжектора, пассивная (эжектируемая) линия которого соединена трубопроводом с камерой предварительного обезвоживания, а активная (эжектирующая) линия является продолжением выходного патрубка вакуум-насоса, посредством которого откачивается водяной пар из камеры окончательного обезвоживания.
На фиг. 1 изображен общий вид экструдера с вакуумной камерой. Экструдер состоит из загрузочной камеры 1, корпуса 2, шнека 3, фильеры матрицы 4, режущего устройства (на чертеже позицией не обозначено), камеры предварительного обезвоживания 5, вакуумной камеры окончательного обезвоживания 16, двух шлюзовых затворов 15 и 18, вакуум-насоса 10, вакуумметра 11, вакуум-регулятора 12 и вакуум-баллона 13.
Камера предварительного обезвоживания 5 расположена соосно корпусу экструдера 2 и соединена трубопроводом 6 с элементом 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.
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 вакуумной камеры 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, шлюзовые затворы, а также трубопроводы, соединяющие составные части экструдера с газовым эжектором, вакуум-баллоном и вакуум-насосом, с внешней стороны покрыты теплоизоляционным материалом (например, напыляемый утеплитель PENOPLEX).
Рабочий процесс заявляемого экструдера с вакуумной камерой осуществляется следующим образом. Обрабатываемое сырье поступает в загрузочную камеру 1 экструдера и, захваченное шнеком 3 последовательно проходит зоны прессования и дозирования машины, нагреваясь до температуры 120-130°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 эжектора 8 и далее удаляется на очистку и в атмосферу.
С целью интенсификации отвода влажного пара от поверхности экструдата в камеру предварительного обезвоживания с помощью воздушного крана 19 подается воздух. 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 поддерживается более низкое рабочее давление (вакуум), чем в камере предварительного обезвоживания. Обеспечивается это с помощью вакуумного насоса 10, а также вследствие того, что с помощью воздушного крана 17 сюда подается значительно меньший объем воздуха, чем в камеру предварительного обезвоживания. 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.
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.
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. При этом 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 будет служить вспомогательным средством для улучшения условий эвакуации водяного пара из камер. И в сравнении с регулировкой вакуума в камере окончательного обезвоживания с помощью вакуум-регулятора, впуск воздуха в камеры предварительного и окончательного обезвоживания существенного влияния на влажность готового продукта оказывать не будет.
Готовый продукт посредством шлюзового затвора 15 выводится за пределы экструдера и подается на фасование.
Пример выполнения заявляемого экструдера с вакуумной камерой.
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 экструдера 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 198439 U1, опубл. Бюл. №19, 09.07.2020.