Результат интеллектуальной деятельности: ЭКСПАНДЕР

Изобретение относится к оборудованию для производства экспандированных продуктов из зернобобового сырья в комбикормовой промышленности.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является экспандер ОЕ.30.2 фирмы «KAHL» (Германия) [http://www.akahl.de/akahl/files/Prospekte/Prospekte_russisch/AK72-Inno11-Crown-11r.pdf] с головкой в виде короны «ОЕК» для изготовления гранул, представляющий собой цилиндрический корпус, внутри которого расположен трехзонный шнековый вал. В каждой зоне шнекового вала установлены витки разной геометрии и размеров, с помощью которых продукт перемещается, перемешивается и дополнительно нагревается за счет сил трения. Спрессованный продукт выводится через цилиндрическую головку в виде короны «ОЕК», в боковой поверхности которой выполнены отверстия для изготовления гранул. В зависимости от обрабатываемого продукта параметры работы зкспандера изменяются: давление пара от 10 до 40 бар, температура продукта от 90 до 110°С, время обработки до 5 секунд. На выходе из экспандера в результате резкого падения давления влага из продукта испаряется и несколько увеличивается в объеме.

Недостатком известной конструкции экспандера является сложность контроля и регулирования физико-химических превращений в процессе экспандирования зернобобового сырья из-за колебаний начальной влажности продукта, а также узкий ассортимент выпускаемой продукции.

Технической задачей изобретения является расширение технологических возможностей экспандера по переработке исходного зернобобового сырья с целью регулирования глубины физико-химических превращений всех компонентов (углеводов, белков, витаминов и др.) для получения более сбалансированных комбикормов и расширения ассортимента выпускаемой продукции.

Поставленная задача достигается тем, в экспандере, содержащем корпус, трехзонный шнек с приводом, головку в виде короны, новым является то, что после третьей зоны шнека - зоны гомогенизации - дополнительно расположены еще две зоны: зона декомпрессии и предматричная зона, причем зона декомпрессии представляет собой два последовательно установленных кулачка, смещенных на 90° друг относительно друга по оси вращения и две греющие шайбы, а соотношение толщины витков, их шага, диаметра и профиля шнекового вала в предматричной зоне обеспечивает стабилизацию давления продукта в ней, в верхней части корпуса экспандера, расположенной после зоны декомпрессии шнека, выполнено отверстие с патрубком для частичной дегазации, соосно с головкой экспандера установлен полый цилиндр, выполненный с возможностью горизонтального перемещения для частичного перекрытия отверстий в боковой поверхности головки, на наружной поверхности полого цилиндра в пазах установлены ножи, выполненные с возможностью горизонтального перемещения.

На фиг.1 представлен фронтальный вид экспандера, на фиг.2 - объемное изображение рабочей камеры экспандера, на фиг.3 - изображение шнека с совмещенными графиками изменения температуры и давления по длине шнека и с указанием всех зон; на фиг.4 - объемное изображение двух последовательно установленных и смещенных на 90° друг относительно друга по оси вращения кулачков в зоне декомпрессии; на фиг.5 - объемное изображение головки и контактирующего с ней цилиндра с ножами.

Экспандер (фиг.1 и 2) состоит из загрузочного патрубка I, корпуса 3, шнека 2, головки 8 и крышки 7. В корпусе 3 выполнены каналы 4, в которые через патрубки 10 подается холодный или горячий теплоноситель (в зависимости от требуемого температурного режима). Шнек 2 приводится во вращение электродвигателем 12 с помощью вариатора 11, который обеспечивает плавное регулирование частоты вращения шнека 2. В верхней части корпуса 3 экспандера, расположенного после зоны декомпрессии шнека 2, выполнено отверстие 13 с патрубком 14 для частичной дегазации (удаления избытка испаряемых паров). Головка 8 представляет собой цилиндрический стакан, в боковой поверхности которого выполнены отверстия для выхода гранул. Головка 8 жестко соединена со шнеком 2 (фиг.5).

Шнек 2 состоит из пяти зон (фиг.3): первой зоны загрузки; второй зоны сжатия; третьей зоны гомогенизации; четвертой зоны декомпрессии; пятой предматричной зоны.

В зоне загрузки вал и витки шнека 2 имеют постоянный диаметр (фиг.1, 2 и 3).

В зоне сжатия диаметр вала шнека и шаг витков шнека 2 увеличен (фиг.1, 2 и 3).

В зоне гомогенизации витки шнека 2 выполнены постепенно утолщенными для обеспечения необходимого сжатия исходного сырья и его последующего расплава за счет эффекта диссипации. Диаметр вала шнека 2 в зоне гомогенизации также увеличен по сравнению с диаметром вала шнека 2 в зоне сжатия (фиг.1, 2 и 3). На этом участке происходит расплав сырья и оно переходит в пластическое состояние.

В зоне декомпрессии на валу шнека 2 расположены два последовательно установленных кулачка 5, смещенных друг относительно друга на 90° по оси вращения (фиг.1, 2 и 4). После кулачков 5 на шнеке 2 установлены две греющие шайбы 6, которые способствуют дополнительному разогреву гомогенного расплава.

В предматричной зоне соотношение толщины витков, их шага, диаметра и профиля шнекового вала обеспечивает стабилизацию давления продукта в ней (фиг.1, 2 и 3).

Конструкция шнека 2 значительно влияет на рациональный режим работы экспандера. Основную проблему создает возможность вытекания расплава через отверстие 13 в верхней части корпуса 3 экспандера, расположенное после зоны декомпрессии шнека 2. Поэтому при конструировании шнека 2 необходимо было исключить появление избыточного давления перед отверстием 13. В результате был разработан пятизонный шнек 2, содержащий зону декомпрессии.

Для обеспечения частичной дегазации (удаления избытка испаряемых паров из рабочей камеры экспандера через отверстие 13) необходимо выполнение двух условий. Во-первых, требуется обеспечить давление, равное атмосферному, перед отверстием 13. Кроме этого, продукт в этой зоне должен быть полностью расплавлен.

Требование атмосферного давления объясняется необходимостью избежать утечки расплава через отверстие 13. Необходимость выполнения второго требования объясняется следующими причинами. Если продукт не полностью расплавлен в зоне гомогенизации, то не будет обеспечено удаления избытка испаряемых паров из рабочей камеры экспандера через отверстие 13. Вторая причина, требующая полного расплавления продукта, связана с коэффициентом диффузии, который в значительной степени зависит от температуры. Пока температура продукта ниже температуры плавления, процесс диффузии протекает с низкой скоростью. Поэтому для увеличения скорости диффузии продукт должен находиться в расплавленном состоянии. Кроме того, в расплаве легче протекают процессы турбулизации.

Стабилизацию давления на уровне атмосферного можно обеспечить тем, что расплав не полностью заполняет начало предматричной зоны. Если канал заполнен не полностью, то давление не увеличивается. Для того, чтобы достичь неполного заполнения, глубина зоны декомпрессии обычно больше, чем глубина зоны гомогенизации, и транспортирующая способность зоны гомогенизации должна быть больше, чем транспортирующая способность предматричной зоны [Раувендааль К. Экструзия полимеров / Пер. с англ. Под ред. А.Я. Малкина - СПб.: Профессия, 2006. - 768 с.]. То есть необходимо, чтобы расплав удалялся из зоны декомпрессии с большей скоростью, чем он в нее поступает. Если транспортирующая способность зоны гомогенизации недостаточна, расплав будет возвращаться в зону сжатия, что приведет к утечкам через отверстие 13.

Соосно с головкой 8 экспандера установлен полый цилиндр 15, выполненный с возможностью горизонтального перемещения для частичного перекрытия отверстий в боковой поверхности головки 8. При этом регулируется величина суммарной площади отверстий в боковой поверхности головки 8 и рабочего давления на продукт (фиг.4). На наружной поверхности полого цилиндра 15 в пазах установлены ножи 9, выполненные с возможностью горизонтального перемещения (фиг.5).

Экспандер работает следующим образом.

Включается электродвигатель 12, который с помощью вариатора 11 приводит во вращение шнек 2 (фиг.1).

Исходный продукт через загрузочный патрубок 1 поступает в зону загрузки винтового канала шнека 2 и увлекается им за счет разницы сил трения между продуктом и стенками корпуса 3 и винтового канала шнека 2. Затем в зоне сжатия (фиг.3) происходит постепенное уплотнение сырья и частичный расплав его.

Одновременно через патрубки 10 в каналы 4, выполненные в корпусе 3, подается холодный или горячий теплоноситель (в зависимости от требуемого температурного режима).

В зоне гомогенизации продукт окончательно переходит из твердой фазы в вязкопластичную. Здесь происходит плавление в результате преобразования механической энергии рабочих органов экспандера в тепловую энергию за счет внутреннего трения в самом продукте и дополнительного нагрева корпуса 3 за счет подвода теплоты в каналы 4 горячим теплоносителем, подаваемым через патрубки 10. Под действием давления и температуры белки, входящие в состав продукта, подвергаются денатурации, которая представляет собой внутримолекулярное явление, характеризующееся физической перегруппировкой внутренних связей.

Два последовательно установленных и смещенных друг относительно друга на 90° по оси вращения, вращающихся кулачка 5 (фиг.3 и 4), с одной стороны, обеспечивают значительное термомеханическое воздействие на расплав, а с другой - снижают давление нагнетания. Обрабатываемый продукт подвергается механическому воздействию вращающихся кулачков 5, в результате чего исключается возможность образования «мертвой зоны». Ступенчатые выступы фигурных кулачков 5 синхронизировано воздействуют на микроструктуру расплава. При этом происходит нарушение упорядоченности внутреннего строения молекулы, количественно определяемое изменением физико-химических свойств белков (растворимости, способности к гидратации, вязкости растворов, устойчивости к действию ферментов, биологической активности и др. [Остриков, А.Н.Экструзия в пищевой технологии [Текст] / А.Н. Остриков, О.В. Абрамов, А.С. Рудометкин. - С.- Пб.: ГИОРД, 2004. - 288 с.]

Затем расплав проходит через узкий кольцевой канал, образованный между наружным диаметром греющих шайб 6 и внутренним диаметром корпуса 3, где подвергается интенсивному механическому воздействию, что также способствует дополнительному разогреву гомогенного расплава.

С помощью гидропривода (на фиг. не показан) полый цилиндр 15 перемещается в горизонтальной плоскости, частично перекрывая отверстия в боковой поверхности головки 8. При этом регулируется величина суммарной площади отверстий в боковой поверхности головки 8 и рабочего давления на продукт (фиг.4). При максимальном перекрытии отверстий в боковой поверхности головки 8 полым цилиндром 15 (см. кривые в на графиках изменения температуры и давления (фиг.3) по длине предматричной зоны шнека 2) значения температуры и давления расплава максимальны, при среднем положении (когда отверстия в боковой поверхности головки 8 перекрыты наполовину полым цилиндром 15) - значения температуры и давления расплава меньше (см. кривые 6 на графиках изменения температуры и давления (фиг.3) по длине предматричной зоны шнека 2), при минимальном положении (когда отверстия в боковой поверхности головки 8 перекрыты минимально полым цилиндром 15) - значения температуры и давления расплава минимальны (см. кривые а на графиках изменения температуры и давления (фиг.3) по длине предматричной зоны шнека 2). При горизонтальном перемещении цилиндра 15 вдоль головки 8, положение ножей 9 также регулируется.

После прохождения предматричной зоны готовый продукт выдавливается через отверстия, расположенные в головке 8. При этом, он имеет пористую структуру.

С помощью ножей 9, установленных в пазах на наружной поверхности полого цилиндра 15, гранулы, выходящие из отверстий в головке 8, срезаются.

На протяжении всего перемещения продукта происходит регулирование температурного режима с помощью теплоносителей с заданной температурой, подаваемых через патрубки 10 в каналы 4.

Таким образом, использование изобретения позволит:

- расширить технологические возможности экспандера по производству экспандированных продуктов различного поликомпонентного состава;

- обеспечить необходимую глубину физико-химических превращений компонентов обрабатываемого продукта за счет регулирования теплоподвода и механического воздействия установленных кулачков 5 и греющих шайб 6;

- улучшить качество готовых экспандированных продуктов за счет регулирования влажности расплава в предматричпой зоне вследствие частичного отвода испаряемых водяных паров через отверстие 13.