ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СЫПУЧЕГО МАТЕРИАЛА В УПРУГО-ВЯЗКО-ПЛАСТИЧНЫЙ В КАНАЛЕ ШНЕКА ПРЕСС-ЭКСТРУДЕРА

Тимофеева Д. В., Попов В.П., Коротков В.Г., Антимонов С.В.

«ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» г. Оренбург

В настоящее время широко применяется экструдирование различных материалов с целью получения продуктов разнообразного назначения. Так, например: вспученных экструдатов пищевого назначения, полуфабрикатов вспученных экструдатов, макаронных изделий, пиллет из грубодисперсных материалов и т.д [1,2]. Имеется достаточно большое количество исследований, направленных на изучение процессов экструзионной обработки различных материалов. Однако практически все эти исследования направлены на изучение интенсификации процессов движения, смешивания, разогревания и т.д. в экструдере уже спрессованных материалов или же процессов формования экструдируемых материалов в матрице экструдера. Практически не производилось исследований процесса превращения сыпучего продукта, загружаемого в экструдер, в спрессованный однородный материал. Математической модели данного процесса в настоящее время не создано. Интенсификации данного процесса практически не проводилось [3,4]. В связи с вышесказанным представляет интерес изучение процесса преобразования сыпучего материала в однородную упруго-вязко-пластичную массу в ходе его экструзионной обработки и разработка конструкции оборудования для более интенсивного осуществления данного процесса.

На сегодняшний день при экструдировании продуктов имеются проблемы связанные со значительными сырьевыми и энергетическими затратами. Актуальной проблемой является изучение и реализация возможности снижения затрат за счет оптимизации адгезионно-когезионных воздействий. В связи с вышесказанным актуальным является изучение процесса преобразования сыпучего материала, подаваемого в экструдер в упруго-вязко-пластичную массу. Ведущими представителями, производящими технологии и оборудование для экструзионного воздействия на перерабатываемый материал являются: немецкая фирма «Бюллер», итальянская фирма «Паван-мампимпьянти», французская фирма «Бассано». Вышеперечисленные фирмы разработали достаточно эффективные методы осуществления экструзионных технологий. Однако, несмотря на наличие при фирмах научно-исследовательских центров, технологии, разработанные ими, осуществляются без выхода на оптимальные режимы, не учитывают кинетику изменения структурно-механических свойств и химического состава, а также не учитывают адгезионно-когезионного взаимодействия [5]. Вместе с тем представляет интерес изучение когезионно-адгезионного взаимодействия и создания оборудования, учитывающее данное взаимодействия. Аналогов предлагаемой технологии в данное время не имеется не в России не за рубежом.

Задачей исследования является разработка и обоснование оптимальных параметров технологического процесса преобразования сыпучего материала в упруго-вязко-пластичную массу на основе параметрического синтеза биотехнологических объектов, а именно:

- Анализ существующего оборудования, выявление недостатков и особенностей узлов уплотнения перерабатываемых материалов.

- Анализ существующих математических моделей и методологий описания экструзионных процессов.

- Разработка комплексной методологии создания единого подхода к математическому описанию всех этапов преобразования материала в экструдерах.

- Разработка математической модели уплотнения материала в экструдере, ее идентификация и верификация.

- Оптимизация конструкции рабочих органов экструдера на основе вышеприведенной методологии и математической модели.

Целью проекта является разработка инновационной энергоресурсо-сберегающей технологии производства экструдированных продуктов с учетом адгезионно-когезионных взаимодействий.

На данном этапе исследований был проведен анализ существующих математических моделей, используемых при экструдировании, в частности для макаронных изделий [6-9]. При смешивании используются модели уравнения баланса мощностей с учетом гидравлических коэффициентов смеси, а для прессования макаронного теста используются реологические модели, основанные на реологических критериях. Из чего можно сделать вывод, что нет единого описания для экструдирования в частности макаронных изделий, и отсутствует математическая модель описания преобразования сыпучего материала в упруго-вязко-пластичное тело. В работе будет использована лабораторная установка, разработанная на факультете ФПБиИ. Предполагается разбиение конструкции на пять зон: зона загрузки, зона транспортирования, зона сжатия, зона гомогенизации и зона формования, и изучение преобразования материала в каждой зоне с созданием соответствующей математической модели.

Зона

формования

Зона

гомогени-

зации

Зона

сжатия

Зона

транспор-

тирования

Зона

загрузки

$Описание: C:\Users\ADMIN\Desktop\Конвент\123.png$

Рисунок 1 – Шнековый пресс-экструдер.

В работе будут использованы разработанные ранее математические методы оптимизации биотехнологических объектов на основе математического планирования экспериментов и методология критериальной комплексной оценки эффективности технологии.

Проведены исследования процесса экструдирования различных видов сельскохозяйственного сырья (пшеничная мука, рис, рисовая сечка, гречневая крупа, продел гречки и подсолнечника) на изменение физико-химических и структурно-механических свойств перерабатываемых материалов. Особое внимание при этом уделялось изучению явления когезии и адгезии.

Данные по результатам исследования экструдирования пшеничной муки приведены на рисунках 2 и 3.

Рисунок 2 – Математические методы оптимизации биотехнологических объектов на основе параметрического синтеза.

$Описание: C:\Users\ADMIN\Desktop\Конференция\123.png$

Рисунок 3 – Влияние массовой доли влаги в экструзионной смеси (х₁) и частоты вращения шнека экструдера (х₂) при относительной температуре 20 ⁰С (х₃) на удельную прочность г/мм².

По результатам исследования изготовлена лабораторная установка для экструдирования зернового сырья. Изготовлена лабораторная установка для изучения степени когезии и адгезии зернового сырья. Разработан способ получения кормов и кормовых добавок из отходов растительного сырья. Подана заявка на способ производства комбикорма. Предложена конструкция модернизированной лабораторной экструзионной установки.

В дальнейшем планируется разработка представления о влияние адгезионно-когезионного взаимодействия на процессы экструзионных технологий. Создание комплекса математической модели адгезионно-когезионного взаимодействия в составе: модели адгезионно-когезионных процессов в ходе экструзионной обработки растительного сырья. Разработка эскизов чертежей линии для инновационной экструзионной обработки растительного сырья.

Список литературы

1. Абрамов, О. В. Исследование основных закономерностей процесса экструзии при производстве комбинированных продуктов питания / О. В. Абрамов // Хранение и переработка сельхозсырья, 2007. - N 6. - С. 69-72. - Библиогр.: с. 72 (3 назв. ).

2. Остриков, А. Н. Экструзия в пищевой технологии / А. Н. Остриков, О. В. Абрамов. А. С. Рудометкин. - CПб. : ГИОРД, 2004. - 288 с. : ил. - Библиогр.: с. 263-281 - ISBN 5-901065-62-Х.

3. Платов К. В. Научное обеспечение процесса получения зерновых палочек на одношнековом экструдере: дис. … к.т.н. / К. В. Платов. – Воронеж, 2004. – 169 с.

4. Фисенко К. А. Оптимизация процесса экструдирования кормов с учетом изменения геометрических и режимных параметров рабочего пространства шнекового прессующего механизма: автореф. дис. … к.т.н. / К. А. Фисенко. Оренбург, 2000 – 17 с.

5. Медведев, Г. М. Технология макаронных изделий : учеб. для студентов / Г. М. Медведев. - CПб. : ГИОРД, 2005. - 312 с.- ISBN 5-901065-95-6.

6. Атыханов А. К. Оптимизация процесса экструдирования при производстве кормовых добавок для жвачных животных: дис. … к.т.н. / А. К. Атыханов. – Алма-Ата, 1984. – 211 с.

7. Плотников Д. А. Обоснование и разработка автономной установки для производства пеллет с энергообеспечением от перерабатываемого сырья: дис. … к.т.н. / Д. А. Плотников. – Ижевск, 2008. – 131 с.61 08-5/1400

8. Гаврилов Н. В. Обоснование конструктивно-режимных параметров экструдера при переработке кормосмеси: дис. … к.т.н. / Н. В. Гаврилов. - Оренбург, 2005. – 121 с.

9. Щербакова Н. Л. Разработка математической модели процессов центробежно-экструзионной грануляции: дис. … к.т.н. / Н. Л. Щербакова. – Волгоград, 2004. – 157 с.