Войти в мой кабинет
Регистрация
ГОТОВЫЕ РАБОТЫ / ДИПЛОМНАЯ РАБОТА, АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Устройство автоматизации процесса пищевой экструзии

irina_k200 2050 руб. КУПИТЬ ЭТУ РАБОТУ
Страниц: 82 Заказ написания работы может стоить дешевле
Оригинальность: неизвестно После покупки вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100% с помощью сервиса
Размещено: 11.09.2020
Метод экструзионной обработки позволяет получить ряд преимуществ: • Интенсифицировать производственный процесс; • повысить степень использования сырья; • получить готовые к применению пищевые продукты или создать для них компоненты, обладающие высокой сгущающей водо - и жироудерживающей способностью; снизить производственные затраты (затраты тепла, электроэнергии); • снизить трудовые затраты; • расширить ассортимент пищевых продуктов; • повысить усвояемость; Современное производство экструзии представляет собой систему различных аппаратов, действующих в разных режимах и выполняющих различные функции. Основанием для выбора данной темы ВКР является непрерывный рост производства пищевой продукции (получаемой методом экструзии), повышение требований к ее качеству, а также поточность технологических процессов создали условия для внедрения средств автоматического контроля и управления. Комплексной автоматизации экструзионного производства уделяется большое внимание. Основное место в технологической схеме экструзионного производства занимает процесс экструзии непосредственно, одной из основных операций, определяющих качество готового продукта. Особенностью построения автоматической системы управления (АСУ) является системный подход ко всей совокупности технологических и управленческих вопросов. Специалист по автоматизации систем управления технологическим процессом (АСУ ТП) должен владеть теорией автоматического управления, разбираться в конструкции агрегатов и основах технологии, достаточно свободно ориентироваться в работе цифровых вычислительных машин, их математическом и алгоритмическом обеспечении, уметь правильно применять технические средства информационной и управляющей техники. В АСУ ТП воплощены достижения локальной автоматики, систем централизованного контроля, электронной и вычислительной техники. Кроме того, АСУ ТП производят общую обработку первичной информации в темпе протекания технологического процесса, после чего информация используется не только для управления этим процессом, но и преобразуется в форму, пригодную для использования на вышестоящих уровнях управления для решения оперативных и организационно-экономических задач. Актуальность темы. Экструдеры с успехом используют как для переработки полимеров, так и для переработки резины, продуктов сельского хозяйства, производства строительных материалов и во многих других отраслях. Известны также попытки использования экструдеров как реакторов для проведения процессов полимеризации. В процессе работы экструдеры потребляют как сырьевые, так и энергетические ресурсы. Это обуславливает необходимость решения научно-технической задачи обеспечения высоких технико-экономических показателей процесса экструзии. Вопросам совершенствования этого процесса начали уделять серьезное внимание еще в 60-х годах ХХ века. С тех пор опубликованы сотни, если не тысячи, научных трудов, посвященных данному вопросу. Можно сослаться только на фундаментальные исследования зарубежных - Бернхардта Э., Торнера Р. В., Раувендаля К., Тадмора З., Гогоса К., Мак-Келви Д. М., Кима В. С., и отечественных исследователей - Лукача Ю. Ю, Рябинина д. д., Петухова А. Д., Сенатоса В. А., Радченко Л. Б., Сивецкого В. И., Хобина В. А., Микуленка и. др. Дальнейшее повышение эффективности процесса экструзии полимеров связано с оперативным определением и реализацией в реальном времени оптимальных ресурсов - и энергосберегающих режимов работы экструзионного оборудования. Такая задача может быть решена путем создания высокоэффективной системы управления процессом пищевой экструзии. Однако существующие сегодня системы управления, которые эти системы используют, не отвечают современным задачам повышения эффективности работы экструзионного оборудования, а следовательно, нуждаются или их усовершенствования или разработки новых. В связи с этим возникает актуальная научно-техническая задача разработки системы автоматизации процессов управления пищевой экструзией, которая бы отвечала современным требованиям ресурсо - и энергосбережения. Связь работы с научными программами, планами, темами. Основой работы являются теоретические и экспериментальные исследования, выполненные при непосредственном участии автора в соответствии с тематикой научно-исследовательских работ Национального университета: «Создание компьютерно-интегрированных систем автоматического контроля и управления, обеспечивающие ресурсо - и энергосберегающие режимы функционирования технологических процессов и производств»; «Разработка высокоэффективных энерго - и ресурсосберегающих технологических основ процессов изготовления конструкционных полимерных композиционных материалов». Целью ВКР является повышение эффективности процесса пищевой экструзии путем создания системы автоматизации процессов управления ею для основных технологических режимов работы, которая бы отвечала современным требованиям ресурсо - и энергосбережения. Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих задач: - провести системный анализ процесса экструзии как объекта с целью обоснованного выбора критерия оптимальности и формулировка задач управления полным рабочим циклом, который включает в себя режимы разогрева экструдера, пуска процесса экструзии, нормальной эксплуатации и остановке; - Разработать конструкцию экструдера, которая экономила бы материальные и энергетические ресурсы; - автоматизировать систему управления процессом экструзии в режиме нормальной эксплуатации, которая бы сочетала в себе управление как показателями качества пищевых продуктов, так и температурами по зонам экструдера при условии функционирования последнего в режиме максимальной энергетической эффективности; - обосновать методы охраны труда и безопасности в чрезвычайных ситуациях. Предметом исследования являются системы оптимального управления различных технологических режимов процесса экструзии пищевых продуктов. Методы исследования. В ВКР использованы: -системный анализ при создании общей структуры системы управления, выборе ее критериев оптимальности и формулировке задач управления; - методы математического моделирования и идентификации систем при построении моделей различных технологических режимов процесса экструзии полимеров; -методы математической статистики при проверке статистических гипотез с целью оценки адекватности математической модели теплового режима экструдера; -методы искусственного интеллекта при разработке системы управления режимом пуска; -методы теории адаптивных систем при синтезе системы управления температурами по зонам экструдера в режиме нормальной эксплуатации; - методы имитационного моделирования при исследовании эффективности разработанных систем управления. Практическая часть. При разработке данного проекта так же была проведена работа по подбору реально существующих узлов и агрегатов, что позволяет внедрить эту АСУ ТП в производство. Основным объектом исследования является технологический процесс экструзии пищевых продуктов. Проблемы исследования. Внедрение АСУ ТП, как и любое нововведение, связанное с определенными трудностями и затратами. На этапе освоения обнаруживаются недостатки отдельных элементов вычислительного комплекса, погрешности примененных алгоритмов управления, недостаточная адаптация персонала к условиям работы с помощью вычислительной техники и другое. Основной гипотезой данной ВКР является разработка современной АСУ ТП процессом производства пищевой продукции методом экструзии с использованием технических средств. Разработка структурной и на ее основе, функциональной и принципиально-электрических схем.
Введение

Термин «экструзия» (extruslo - выталкивание) впервые был использован для описания процесса получения изделий из пластмасс и резиновых смесей в экструдере - машине, предназначенной для размягчения (пластификации) материалов и придания им определенной формы. В пищевой промышленности метод экструзии впервые был испытан в макаронном и кондитерском производствах. Больших успехов в технике и технологии экструдирования были достигнуты в Италии и Швейцарии, что позволило организовать производство экструдированных пищевых продуктов. Один из первых экструдеров, использованный еще в 1868 г. в Англии для производства колбас, производил в основном только интенсивное смешивание мясного фарша и формования готовых изделий без термохимического воздействия на сырье. В конце 40-х годов XX века была разработана технология варочной экструзии, которая обеспечивала необратимые изменения сырья, в частности, почти полная клейстеризация крахмала. Настоящий бум развития техники и технологии экструдирования в Европе и Новом Мире пришелся на 60-е годы: более 40 различных фирм освоили производство техники для различных видов сырья и разработки продуктов с различными физико-химическими и функциональными свойствами; были разработаны теоретические основы холодной и горячей экструзии. На сегодняшний день различными видами экструзии получают ингредиенты кормов для домашних птиц, животных, рыб, кондитерские изделия (шоколад, конфеты, печенье, жевательную резинку), продукты детского и диетического питания, воздушные крупяные палочки (кукурузные, рисовые, перловые и т.д. ), компоненты овощных консервов и пищеконцентратов, широкий диапазон макаронных изделий.
Содержание

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………...…… ..1 ГЛАВА 1. ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ И УСТРОЙСТВО ЭКСТРУДЕРОВ 1.1. Основы процесса экструзии...............................................................8 1.2. Конструкция экструдеров.................................................................13 1.3 Классификация и характеристика экструдеров……………….. .20 1.4 Постановка задач конструктивного раздела…………….……... .38 1.5 Выводы……………………………………………………..…….. ..38 ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ЭКСТРУЗИИ 2.1 Способ автоматического управления работой экструдера............39 2.2 Способ автоматического управления работой экструдера с регулируемым сечением выходного канала матрицы..........................46 2.3Вывод…………………………………………………..………….....48 ГЛАВА 3 РЕАЛИЗАЦИЯ КОНТУРА АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ ЭКСТРКЗИОННОЙ ЛИНИИ. 3.1 Реализация контура автоматического контроля и регулирования скорости вращения основного шнека системы………………………49 3.2 Реализация контура автоматического контроля и регулирования скорости вращения шнека-дозатора основных компонентов……….49 3.3 Реализация контура автоматического контроля и регулирования уровня хода плунжера насоса-дозатора………………………………50 3.4 Реализация контура автоматического контроля давления на выходе формообразующей матрицы………………………………......51 3.5 Выбор основного контроллера системы АСУ ТП……………….51 3.6 Вывод………………………………………………………………..53 ГЛАВА 4. ОХРАНА ТРУДА И БЕЗОПАСНОСТЬ В ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ 4.1 Анализ потенциальных опасностей..................................................54 4.2 Меры по обеспечению безопасности, производственной . санитарии и гигиены труда......................................................................55 4.3 Мероприятия по обеспечению производственной санитарии и гигиены труда...........................................................................................57 4.4 Меры по пожарной безопасности.....................................................60 4.5 Mеры по обеспечению безопасности в чрезвычайных ситуациях ………………………………………………………..….… 62 4.6 Вывод …………………………………………….………………....64 ГЛАВА 4. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА НИР. 4.1 Концепция экономического обоснования………………………67 5.2 Трудоемкость……………………………………..…………………68 5.3 Смета затрат на проведение НИР………………..……………...…70 5.4 Экономическая оценка эффективности НИР .………..……….......73 5.5 Выводы………………………………………….………….……......75 ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………….………….…..
Список литературы

1. Арбиев А.М. Перспективы развития 3d печати, экструдеры инновационного типа / В сборнике: Молодежь. техника. космос труды X Общероссийской молодежной научно-технической конференции. Сер. "Библиотека журнала «Военмех. Вестник БГТУ» №50" 2018. С. 200-204. 2. Ашуров Ш.Й. Разработка прикладного приложения для расчета и проектирования деталей и узлов экструдеров / Ш.Й. Ашуров, А.Н. Голубев // В книге: Тезисы докладов 49 Международной научно-технической конференции преподавателей и студентов 2016. С. 127. 3. Бабенко Д.С. Моделирование течения высоконаполненных полимеров в конической части экструдера / В сборнике: Материалы LVI отчетной научной конференции преподавателей и научных сотрудников ВГУИТ ЗА 2017 ГОД Часть 1. 2018. С. 160. 4. Большая советская энциклопедия / М.: Советская энциклопедия, 1978. – Т.30. 5. Боровой В.Ю. Применение дискового экструдера для переработки вторичных полимеров / В сборнике: WORLD SCIENCE: PROBLEMS AND INNOVATIONS сборник статей XXI Международной научно-практической конференции. В 4 частях. Ответственный редактор Гуляев Герман Юрьевич. 2018. С. 35-37. 6. Вольвак С.Ф. Применение экструдеров для приготовления кормов в фермерских хозяйствах / С.Ф. Вольвак, В.Д. Несвит, О.А. Бондарец // В книге: Органическое сельское хозяйство: проблемы и перспективы Материалы XXII международной научно-производственной конференции. 2018. С. 190-192. 7. Василенко В.Н. Комбинированный пресс-экструдер для масличного сырья / В.Н. Василенко, М.В. Копылов, А.В. Терёхина, И.Н. Болгова // В сборнике: Продовольственная безопасность: научное, кадровое и информационное обеспечение Сборник научных статей и докладов V Международной научно-практической конференции. Воронежский государственный университет инженерных технологий. 2018. С. 488-490. 8. Верескун А.В. Управление риском чрезвычайных ситуаций как составная часть обеспечения безопасности жизнедеятельности / А.В. Верескун, И.Ю. Олтян // В сборнике: Безопасность жизнедеятельности: вызовы и угрозы современности, наука, образование, практика Материалы V Межрегиональной научно-практической конференции с международным участием. 2015. С. 175-179. 9. Гуль В.Е. Основы переработки пластмасс / В.Е. Гуль, М.С. Акутин – М.: Химия. – 1985. – 400 с. 10. Елизаветин М.А. Повышение надежности машин / М.А. Елизаветин. – М.: Машиностроение. – 1973. - 430 с. 11. Жушман А. И. Современные достижения в технологии экструзионных крохмалопродуктов / А. И. Жушман, Е. К. Коптелова, В. Г. Карпов // Обзорная информация. Сер. 19/ ВНИИТЭИ Агропром, 1989. – Вып. 4. 12. Калинчев Э.Л. Оборудование для литья под давлению / Э.Л. Калинчев, Е.И. Калинчева, М.В. Соковцева. – М.: Машиностроение, 1985. – 265 с. 13. Клейменов В. Н. Экструдирование зерновых кормов / В. Н. Клейменов, К. Б. Вартанов // Научно-технический бюллетень по электрификации сельского хозяйства ВНИИ электрификации сельского хазяйства, 1984. – № 3/52; С. 58–61. 14. Кравцова Е.А. Чрезвычайные экологические ситуации. Обеспечение экологической безопасности. Белгород, 2015. С. 36 15. Курочкин А.А. Определение объемного расхода сырья в экструдере с термовакуумным эффектом / Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. 2018. № 1. С. 3-7. 16. Козлова Д.А. Влияние конструктивных параметров экструдера на температурный режим процесса экструдирования / Д.А. Козлова, Н.В. Трутнев // В сборнике: Человек и научное познание. Социокультурные аспекты науки Сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции. 2018. С. 108-115. 17. Литье пластмасс под давление / Т.А. Освальд, Л-Ш. Тунг, П.Дж. Грэманн; под общ. Э.Л. Калинчева – СПб.: Профессия, 2006. – 712 с. 18. Малышев Б. Мониторинг чрезвычайных ситуаций как оперативная составляющая обеспечения промышленной безопасности / Б.Малышев, К. Ковенев, Р. Алексейчук, И. Ладик, В. Лапшина // ТехНадзор. 2015. № 10 (107). С. 241-243. 19. Марченко В.И. Анализ процесса сушки и охлаждения гранул / В.И.Марченко, Д.И. Грицай, Д.А. Сидельников, А.В. Панасенко // В сборнике: Актуальные проблемы научно-технического прогресса в АПК Сборник научных статей по материалам XIII Международной научно-практической конференции, в рамках XVIII Международной агропромышленной выставки "Агроуниверсал - 2017". 2017. С. 35-39. 20. Мартынова Д.В. Устройство для определения динамического коэффициента трения в канале шнека пресс-экструдера при производстве кормовых продуктов / Д.В. Мартынова, В.П. Попов, С.Ю. Соловых, Е.В. Волошин, С.В. Антимонов // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2018. № 2 (70). С. 122-124. 21. Миллауэр Х. Экструдеры и экструзионные установка // Материалы семинара по технологии производства комбикормов, фирма Buhler-Buhler MIAC, 1989. – С. 270. 22. Пепеляева Е.В. Об эффекте несимметричного изменения температуры и давления сырья в предматричной зоне экструдеров / Е.В. Пепеляева, В.С. Кошман // Пермский аграрный вестник. 2018. № 2 (22). С. 4-8. 23. Переработка пластмасс / Шварц О., Эбелинг Ф.-В., Фурт Б. / под. общ. Ред. А.Д. Паниматченко. – СП.: Профессия. – 2005. – 320 с. 24. Припоров И.Е. Обоснование конструктивных параметров шнека переменного шага пресс-экструдера при получении рассыпного подсолнечного жмыха / И.Е. Припоров, В.С. Курасов // Тракторы и сельхозмашины. 2018. № 3. С. 19-24. 25. Рудой Д.В. Исследование технологического процесса и определение рациональных параметров шнекового экструдера для производства комбикормов: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук: 05.20.01 / Донской государственный технический университет. Ростов-на-Дону, 2015 26. Силаев А.А. Исследование работы экструдера для разработки автоматизированной системы управления / А.А. Силаев, В.В. Силаев // В сборнике: 16-я научно-практическая конференция профессорско-преподавательского состава ВПИ (филиал) ВолгГТУ сборник материалов конференции. Министерство образования и науки России; Волжский политехнический институт (филиал) Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования "Волгоградский государственный технический университет". 2017. С. 34-35. 27. Соколов Б.А. Машины для автоматизированного производства деталей из реактопластов / Д.А. Соколов, Б.А. Петров, В.А. Татаркин и др. – М.: Машиностроение, 1990. – 304 с. 28. Сырокоренский И.С. Анализ конструкций современных экструдеров российского производства / Молодой ученый. 2018. № 31 (217). С. 36-40. 29. Субботин Е.В. Определение времен пребывания полимера при течении в зоне дозирования одношнекового экструдера / Е.В. Субботин, Ю.М. Хасянова // Научно-технический вестник Поволжья. 2018. № 7. С. 146-149. 30. Харитонов П. Экструдер и технология изготовления топливных брикетов из растительного сырья в домашних условиях / П. Харитонов, Д. Алманова, Т. Габитов, М. Ким, Д. Куанова, А. Талапов // Евразийское Научное Объединение. 2018. № 4-1 (38). С. 52-56. 31. Черняев И.П. Технология комбикормового производства. – М. : Агропромиздат, 1985 – С. 255. 32. Шаяхметов А.А. Двухслойное течение расплавов полимеров в каналах головки экструдера / Шаяхметов А.А., Валеева А.Р., Гирфанова А.Г., Фаткуллин А.Р., Фролова А.Б. // В сборнике: Научный потенциал молодежи и технический прогресс Материалы I международной научно-практической конференции. 2018. С. 135-136. 33. Эффективное животноводство. Кормовые экструдеры - не роскошь, а выгодное вложение / Эффективное животноводство. 2018. № 4 (143). С. 10. 34. Grebaut I. Cuisson-extrusion des praduits cerealiers. – Industries des cereales. Франция, 1984. – № 28. – С. 7–12. 35. Pallini C. M. Extrudieren – eine moderne Technologie in der Yetreide – verarbeitung. – Die Muhle + Misechfutlertechnik, ФРГ, 1988. – № 10. – Т. 125. – Р. 121–122.
Отрывок из работы

ГЛАВА 1. ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ И УСТРОЙСТВО ЭКСТРУДЕРОВ 1.1. Основы процесса экструзии Экструзией называют процесс переработки продуктов в экструдере. Экструдер (от латинского extruclo - выталкивает) - это машина для размягчения или пластификации продуктов и придания им формы путем продавливания через профилирующий инструмент - экструзионную головку, сечение которой обеспечивает формирование продукции [4]. Первый известен одновальный экструдер создан в Англии в 1869 г. для изготовления колбас. Затем он стал прототипом для новых одновальных экструдеров, разработанных примерно в 1935 г. выполнял функцию макаронных прессов непрерывного действия. Эти экструдеры лишь смешивали и формовали обрабатываемый продукт, не изменяя его структуры. Лишь в конце 40-х годов ХХ в. начали использовать варочный экструдер, который менял продукт прежде всего из-за клестеризации крахмала [21]. Процесс экструдирования относится к термодинамических методов обработки, которые включают как статические режимы воздействия, так и динамический эффект давления, температур, осмоса и др. Основой экструдирования являются два процесса-механо-химическая деформация и” взрыв", или декомпрессионный шок, происходящий на участке ударного разряжения. Эти процессы непрерывны, осуществляются под действием деформативных напряжений и теплоты при определенных скоростях подвода и отвода и давления [31]. Процесс экструдирования осуществляется следующим образом. Подготовленное исходное сырье подается через загрузочный бункер, или питатель в экструдер. По мере перемещения продукта по рабочей камере увеличивается степень сжатия, которая определяется соотношением площади рабочего канала к суммарной площади фильер на выходе продукта с профилирующей матрицы. Кроме того, продукт, уплотняясь, прогревается как за счет сил трения частиц о поверхность рабочих органов, вращающихся и деформации сдвига в самом продукте, так и за счет дополнительного подвода тепла. Известно, что биополимеры в процессе экструдирования претерпевают фазовые преобразования из хрупкого стекловидного состояния в высокоэластичное и затем в вязкотекучее. С учетом фаз преобразования состояния продукта весь процесс экструдирования можно разделить на ряд технологических зон: загрузки, сжатие, гомогенизация и собственно экструзия. Другие исследователи в экструдере различают зоны загрузки (втягивания), уплотнения, пластификации, смешивания и среза, а также зону выгрузки, в которой растет давление и продукт при этом продавливается через фильеры. Одной из перспективных технологий получения высококачественных пищевых продуктов является экстразионная обработка сырья, позволяющая получать легко усваиваемые продукты, полностью готовые к употреблению. В процессе экструдирования продукты обогащаются белками, витаминами, минеральными веществами и другими добавками, что повышает их биологическую и энергетическую ценность и делает полезными для разных возрастных категорий потребителя. Интерес к этой технологии обусловлен, во-первых, большим объемом и разнообразием производим! продукции, во-вторых, экономической эффективностью, обусловленной тем, что один экструдер может заменить целый комплекс машин и механизмов, необходимых для производства экструдированных изделий. Ассортимент пищевой продукции, производимой методом экструзии, включает более 400 наименований. В развитых странах Европы (Германия, Великобритания, Швейцария) потребления «сухих завтраков» на душу населения составляет примерно 3 - 7 кг в год. В России этот показатель составляет менее 1 кг, а ассортимент ограничен, в основном, выпуском кукурузных палочек. Низкий уровень потребления экструдированных продуктов в России обусловлен в первую очередь тем, что в перерабатывающих отраслях промышленности экструдирования является недостаточно изученным процессом. Большой удельный вес физически и морально устаревшего оборудования, несовершенство техники и технологии сказывается на качестве выпускаемых изделий, приводит к удорожанию продукции. Однако переработка сырья методом экструзии имеет хорошие перспективы применения в отечественной пищевой индустрии, и дальнейшее изучение этого процесса является очень актуальным. Перспективным направлением в области совершенствования экструзионных технологий является разработка новых рецептур исходных смесей с применением не только наиболее распространенной на территории России сырья (гречка, картофель и др.), но и нетрадиционных ее видов (овощных полуфабрикатов, белковых обогатителей), что обеспечивает улучшение потребительских свойств, повышения биологической и пищевой ценности продуктов питания. Одновременно важнейшей задачей является энерго- и ресурсосбережение производства и снижение себестоимости выпускаемой продукции. Таким образом, для более широкого применения экструзии в пищевой промышленности России необходима разработка новых технологий и оборудования, новых рецептур модельных смесей, рациональных режимов процесса. Есть достаточно большое количество исследований, направленных на изучение процессов экструзионной обработки крахмалосодержащей растительного сырья [13]. Крахмал - наиболее значимый компонент сырья по пищевой ценности и использованию в пищевой промышленности, важный источник энергии для человека. Одним из основных источников крахмала являются картофель и продукты ее переработки, в частности, картофельные хлопья, поэтому целесообразно их использовать в процессах экструдирования. Экструзионные продукты на рынке России отсутствуют, поэтому есть потребность в разработке технологий их производства [3]. Создание новых конкурентоспособных технологий и оборудования для изготовления высокоэффективных комбикормов для животноводства является одним из важных задач сельскохозяйственного производства. Прогрессивным направлением в решении этой задачи является переработка фуражного зерна методом экструдирования. Этот метод заключается в обработке зерна при повышенной температуре (до 160 °С) и давления (до 10 МПа). Такой режим многотермической обработки в процессе экструзии вызывает глубокие структурные изменения в питательных веществах зерна. Высокомолекулярные органические соединения разрушаются, превращаясь в более простые, которые хорошо усваиваются животными, повышая их производительность. Способ экструдирования фуражного зерна широко применяется за рубежом и создано соответствующее оборудование. В России и в странах СНГ такой способ известен, но еще не получил широкого применения [28]. Одной из основных причин такого положения является отсутствие надежного и недорогого оборудования для внедрения технологии экструдирования. Новые перспективы в создании высокоэффективных конкурентоспособных комбикормов открывают технологии и оборудование для переработки методом экструдирования фуражного зерна и отходов зернового производства (семена трав, шелухи гречки, отрубей и др.) с добавками минерала сапонита. Минерал сапонит имеет в своем составе более 20 элементов и микроэлементов, которые способствуют росту и увеличению продуктивности животных. Кроме того он является хорошим сорбентом, способствует сохранению молодняка от заболеваний. Однако минерал сапонит содержит в своем составе абразивные частицы, что существенно уменьшают износостойкость и долговечность оборудования. Использование отходов зернового производства в производстве комбикормов удешевляет их себестоимость. Существующие конструкции экструдеров не пригодны перерабатывать фуражное зерно в смеси с отходами и минеральными добавками. На сегодня есть много исследований отечественных и зарубежных ученых, посвященных конструкции и принципам работы экструдеров, но исследований их износостойкости в абразивной среде недостаточно. Учитывая это, исследования износостойкости и долговечности экструдеров для переработки фуражного зерна с примесями отходов зернового производства и минералов актуальны. На современном этапе развития комбикормовой промышленности все больше внимания уделяется углубленной переработке зерна с целью повышения переваримости и усвоения питательных веществ, а следовательно, более высокой эффективности использования комбикормов, что обусловливает снижение затрат корма на единицу прироста животные. За последнее время при производстве комбикормов находят применение различные способы углубленной переработки зернового сырья: обжарка, плющение, микронизация (обработка ИК - лучами), экструдирования. Из названных способов наиболее перспективным является экструдирование. Использование экструдеров непосредственно в технологическом процессе производства комбикормов может обеспечить глубокие биохимические превращения питательных веществ-углеводов, клетчатки, белков [11]. Поэтому с помощью экструзионной технологии производят специальные комбикорма для молодняка животных. Дальнейшее развитие экструзионной технологии и ее применения при производстве комбикормов позволит значительно повысить их качество. С целью отработки технологических режимов изготовления комбикормов из различных видов фуражного зерна, отходов зернового производства и минеральных добавок (сапонита) изготовлена экспериментальная установка для переработки указанных выше продуктов методом экструдирования. Данная установка позволила с небольшими затратами сырья отработать технологии изготовления комбикормов из фуражного зерна различных культур (ячменя, пшеницы, кукурузы) с примесями отходов зернопереробного производства (отрубей, лузги, гречихи, отходов семена трав и др.) и минерала сапонита. 1.2. Конструкции экструдеров Основой экструдирования является механическое сжатие исходного или подвергнутого предварительной обработке продукта. Предварительная обработка может быть механической (размола), тепловой (нагрев) или гидротермической (пропаривание с одновременным нагревом). Экструдер состоит из нескольких основных узлов - корпуса, оснащенного нагревательными элементами, рабочего органа (шнека, диска, поршня), размещенного в корпусе, узла загрузки перерабатываемого продукта, силового привода, системы поддержания оптимального температурного режима и других контроль-измерительных и регулирующих устройств [1]. Экструдер содержит корпус 1 со шнеком 2. В предматричной зоне установлены три последовательно расположенные камеры охлаждения 3,4 я 5. Каждая камера имеет кольцевую форму и снабжена патмещением его вдоль кольцевого канала и выдавливанием через соединительное отверстие 7 в соседнюю камеру охлаждения [29]. Экструдер работает следующим образом. Расплав экструдата, попадая в предматричную зону, проходит через первое соединительное отверстие 7 в первую камеру охлаждения 3. Под действием лопаток 6 экструдат перемещается по кольцевому каналу камеры и через второе соединительное отверстие 7 выдавливается во вторую камеру охлаждения 4. Аналогичным образом он перемещается в ней и выдавливается в третью камеру охлаждения 5, из которой нагнетается через соединительное отверстие 7 в предматричное пространство и выходит через отверстия в матрице экструдера. Подобным образом экструдер работает при давлении продукта в предматричной зоне, не превышающем заданного оптимального значения. В случае повышения давления расплава продукта в предматричной зоне при попадании его в первую камеру охлаждения 3 в охладительную рубашку камеры подается хладагент (ледяная вода, рассол, воздух и т.п.), который интенсивно охлаждает наружную поверхность [5] (рис. 1). Продукт, перемещаясь по кольцевому каналу камеры 3, контактирует с охлаждаемой поверхностью, в результате чего температура его понижается. Охлажденный в камере 3 продукт через второе соединительное отверстие 7 выдавливается во вторую камеру охлаждения 4. Рис. 1.1. Разрез рабочей камеры экструдера Если этого снижения давления оказывается недостаточно и оно продолжает увеличиваться в предматричной зоне, т.е. экструдат недостаточно охладился в первой камере 3, то тогда аналогичным образом он охлаждается во второй камере 4. Если стабилизации давления продукта не произошло, то до оптимальной температуры обработки и, соответственно, давления он доводится в третьей камере охлаждения 5. Таким образом, обеспечивается снижение давления экструдата в предматричной зоне. Пределы регулирования темпа охлаждения в каждой из трех камер 3, 4 и 5 определяются видом теплоносителя (вода, рассол, воздух и т.п.), его температурой, величиной подачи, размерами подводящих каналов, расположением отверстий 7, геометрическими размерами камер 3, 4, 5, лопаток 6 и реологическими свойствами перерабатываемого сырья. Диаметр отверстий 7 должен быть одинаковым для обеспечения непрерывности обработки и повышения коэффициента наполнения шнеков, а также устранения пульсаций давления продукта в предматричной зоне. В случае обработки тугоплавких материалов камеры охлаждения могут быть использованы и для дополнительного нагрева продукта. В этом случае в качестве теплоносителя могут быть использован пар, горячая вода и т.п. Использование предложенной конструкции позволит оптимизировать процесс экструдирования различного исходного сырья за счет поддержания оптимального давления продукта путем регулирования его температуры в предматричной зоне, а также расширить область применения экструдера вследствие достигнутой универсализации механизма стабилизации давления. Формующее устройство экструдера позволяет стабилизировать давление продукта в предматричной зоне экструдера при изменении технологических параметров процесса за счет «автоматического» варьирования проходного сечения формующих каналов. Рис. 1.2. Формующее устройство экструдера: 1 — камера экструдера; 2 — обтекатель; 4— матрица; 6 —диск; 7— цилиндрический вал; 8 — выступы; 10 — упоры; 11 — отверстия; 12 — центральное цилиндрическое отверстие; 13 — отверстие сложной формы; 14 — диаметральные кольцевые пазы; 18 — направляющие; 19 — овальные отверстия; 20 — пазы; 22 — кольцевой паз Формующее устройство содержит рабочую камеру экструдера 1, пред матричная зона которого представляет собой усеченный ко¬нус [32]. В пазы конуса по направляющим 18 установлен обтекатель 2 с овальными отверстиями 19, выполненный в виде «седла» с внутрен¬ним конусом 17, вершина которого направлена в сторону загрузки продукта. К рабочей камере 1 крепится матрица 4 (рис. 1.2) с вы¬полненными в ней центральным цилиндрическим отверстием 12 и двумя сообщенными с ним сквозными отверстиями сложной формы 13, которые при сборке дорна 3 с матрицей 4 образуют каналы 9 для прохода продукта. Дорн 3 состоит из двух частей, жестко соеди¬ненных друг с другом: цилиндрического вала 7 с выступами 8 по всей длине и диска 6 с отверстиями 19 и упорами 10. Рис. 1.3 Формующее устройство экструдера: 1 — рабочая камера; 3 — дорн; 9 — каналы прохода продукта; 16 — прокладка; 21 — штуцер Цилиндрический вал 7 при сборке размещается в центральном цилиндрическом отверстии 12 матрицы 4, при этом выступы 8 распо-лагаются в отверстиях 13. Вторая часть дорна 3 представляет собой диск 6 с отверстиями 19 и упорами 10 по внешней цилиндрической поверхности, причем отверстия 19 выполнены со скосом одной кром¬ки со стороны выступа 8 под некоторым углом (3 (30...45°) к централь¬ной оси отверстия (рис. 1.3). Это способствует повороту дорна 3 при значительном отклонении давления продукта в сторону увеличения и ликвидирует возникновение застойных зон расплава материала. В диаметральных кольцевых пазах 14 матрицы 4 установлены пружины 5, контактирующие одной стороной с упором дорна 10, а другой — с упорным шайбами 15, размещенными в пазах 20 матри¬цы 4 и рабочей камеры 7 (рис. 1.4). Рис. 1.4. Разрез А-А на рис. 1.3 Подбор геометрических разме¬ров пружин позволяет установить оптимальное значение величины давления расплава материала в предматричной зоне экструдера и со¬ответствующее ему проходное сечение формующего канала, при пре¬вышении которого происходит изменение проходного сечения в сто¬рону увеличения и стабилизация величины давления [7]. Площадь поперечного сечения формующего канала изменяется по всей длине матрицы одинако¬во, что обеспечивает получение экструдатов оптимальной формы, хорошего качества без разрывов и повреждения структуры изделия. С целью снижения трения между дорном 3, матрицей 4 и рабочей камерой 7 в кольцевой паз 14 че¬рез отверстие под штуцер 21 мо¬жет подаваться смазочный мате¬риал, например жировые компо¬ненты, обеспечивающие к тому же получение обогащенных экст¬рудатов. Во избежание потерь продукта и осуществления герме¬тичности формующего устройства предусмотрена уплотняющая прокладка 16, которая устанавливает¬ся в кольцевой паз 22. Обтекатель 2 предназначен для снятия нагруз¬ки с дорна 3, образующейся от действия давления продукта, что облегчает перемещение дорна. Он также распределяет поток расплава экструдата поступающего из рабочей камеры в формующие отверстия 13 матрицы 4. Внутренний конус 17 (рис. 1.5), выполненный в обтекателе Д позво¬ляет устранить образование застойных зон. Рис. 1.5. Внутренний конус Предлагаемое формующее устройство работает следующим образом. Расплав продукта подается шнеком в предматричную зону экструде¬ра, где разделяется обтекателем 2 на потоки и направляется через отверстия 19 к отверстиям 77 перфорированного диска 6 и далее в каналы 9, обра¬зованные отверстием 12 матрицы выступами 8дорна 3 и отверсти¬ями 7 7 перфорированного диска 6 (рис. 1.6), где происходит формирование экструдата. Рис. 1.6. Разрез Б-Б на рис. 2.3 При увеличении давления в предматричной зоне экструдера сверх допустимого рабочего ин¬тервала, соответствующего уста¬новившемуся режиму работы, тре¬буется быстрое оперативное вме¬шательство, направленное на под¬держание стабильного давления продукта за счет изменения проход¬ного сечения формующих каналов. 1.3 Классификация и характеристика экструдеров По типу основного рабочего органа экструдеры подразделяют на одношнековые, многошнековые, дисковые, поршневые и другие. Наибольшее распространение в промышленности получили шнековые экструдеры. Захватывая исходный продукт, шнек перемещает его от загрузочного устройства вдоль корпуса экструдера. При этом продукт сжимается, разогревается, пластифицируется и гомогенизируется. Максимальное давление в экструдере достигает величины от 5 до 50 МПа. По частоте вращения шнека экструдеры подразделяются на нормальные и быстроходные с круговой скоростью соответственно 0,5 и 7 м/мин, а по конструктивному исполнению - на стационарные и с вращающимся корпусом с горизонтальным или вертикальным расположением шнека. Есть экструдеры со шнеками, осуществляющими не только вращательное, но и возвратно-поступательное движение [33]. Для эффективной гомогенизации продукта на шнеках устанавливают дополнительные устройства-зубья, шлицы, диски, кулачки и др. Распространение получили планетарно-ные экструдеры, у которых вокруг центрального рабочего органа (шпинделя) вращается несколько дополнительных шнеков (до 12 шт.) [1]. Принцип действия дискового экструдера основан на использовании напряжений, возникающих в упруго-вязком материале и нормальных к сдвижных. Основой конструкции такого экструдера является два плоскопараллельных диска, один из которых вращается, создавая сдвиговые и нормальные напряжения, а второй является неподвижным. В центре неподвижного диска имеется отверстие, через которое выдавливается размягченный материал. Дисковые экструдеры имеют более высокую пластикирующую и гомогенизирующую способность, чем шнековые, но давление, которое они создают ниже. Учитывая это, их используют главным образом как смесители-грануляторы или для подготовки материала перед загрузкой в шнековый экструдер. Поршневой экструдер из-за низкой производительности используют ограниченно, в основном для изготовления труб и профилей из реактопластов. Конструкции экструдеров могут быть классифицированы также по геометрической форме, механическим, функциональным или термодинамическим характеристикам. Кроме того, экструдеры рекомендуется классифицировать по их физическим признакам, так как они воздействуют на химические структурные характеристики экструдированных продуктов. Особое значение имеют такие параметры, как наклон режущего края кромки матрицы и количество тепловой энергии, образующейся в процессе экструдирования за счет механического преобразования энергии; температура во время процесса; влажность массы, экструдируется. С учетом этих характеристик экструдеры можно разделили на следующие группы: - с коротким шнеком (автогенные); - с большим наклоном режущего края матрицы; - двухшнековые с незначительным наклоном режущего края матрицы; - формирующие, с большим наклоном режущего края матрицы. Экструдеры с коротким шнеком характеризуются высокой скоростью вращения шнека и коротким цилиндром. При этом температуру трудно регулировать из-за малого срока нахождения массы в экструдере. Именно поэтому его возможности применения ограничены. Экструдер можно использовать, например, для переработки зерновых и их смесей [35]. Характерными свойствами экструдеров с большим наклоном режущего края матрицы являются высокое тангенциальное давление и скорость вращения шнека. Эти мощные экструдеры, оснащенные длинным цилиндром, системой терморегулирования и могут применяться для различных видов сырья. Среди недостатков можно назвать невозможность контролировать степень клейстеризации крахмалосодержащих компонентов. Особым признаком двухшнекового экструдера является точная объемная дозировка. Этот тип экструдеров может транспортировать как сухие и порошкообразные продукты, так и растворы и суспензии. Однако для варочной экструзии крахмалосодержащего сырья в промышленном объеме требуется влажность экструдируемого продукта от 10 до 30 %. Теплорегулирующая система функционирует таким образом, чтобы обеспечивалось увеличение и уменьшение тепла. Недостатком этих экструдеров является высокий износ из-за тесного контакта шнеков между собой. В группу экструдеров с незначительным наклоном режущего края матрицы принадлежат одношнековые установки с низкой частотой вращения (от 25 до 80 мин-1). Они отличаются относительно длинным цилиндром и системой терморегуляции, что дает возможность для точного контроля за изменением температуры во время процесса. Время обработки продукта в экструдере составляет от 1 до 2 минут. Это позволяет контролировать клейстеризацию продукта путем согласования количества тепла, образующегося в результате трения, и количеством подводимого тепла или отводимого путем терморегуляции. Формовочные экструдеры с большим наклоном режущего края матрицы отличаются небольшим внутренним трением и низкой температурой массы (менее 60 °С) [35]. Как уже было отмечено, различают одно - и двухвальные экструдеры, причем среди последних есть экструдеры со шнеками, что касаются друг друга, и экструдеры, шнеки которых находятся во временном зацеплении [10]. Экструдеры с одним шнеком подразделяются на: - со шнеком, шаг витка которого уменьшается; - со шнеком, диаметр вала которого увеличивается; - содержащие в цилиндре спирали; - с коническим корпусом; - с уменьшающимся шагом витка и коническим корпусом. В этих машинах используют, как правило, несколько последовательно соединенных шнековых стержней различной конструкции, каждый из которых обеспечивает специальную функцию при обработке - перемещение, варки, срезание, сжатия [34]. Недостатками одношнековых экструдеров является плохое смешивание обрабатываемого продукта, отсутствие принудительной транспортировки, а также неравномерное транспортировки продукта с высоким содержанием жира и воды. Кроме того, при прохождении сухого продукта есть опасность его спекания на шнеке, отсутствует самоочищение. Машины с двумя шнеками, не входящие в зацепление друг с другом, подразделяются на: - экструдеры с синхронно вращающимися валами и касаются друг друга; - экструдеры со шнеками, вращающимися в противоположных направлениях и касаются друг друга. Экструдеры с двумя шнеками, входящие в зацепление друг с другом, подразделяются на экструдеры: - шнеки которых движутся синхронно и самоочищающиеся; - с частично самоочищающимися шнеками; - с камерным шнеком; - с коническим шнеком и коническим корпусом. Резьба шнеков этих машин имеет треугольный или трапециевидный профиль и способствует хорошей передачи давления. Шнеки состоят из представляемых модулей и заменяются в соответствии с видом продукта. Функции различных модулей следующие. Модуль с длинным шагом шнека обеспечивает перемещение и декомпрессию-дегазацию продукта; модуль имеет зауженный шаг шнека - сжатия; эксцентричные диски - перемешивание (умеренное срезания) модуль с противоположным шагом шнека - смешивание, периодическое измельчение (интенсивное срезание). Розен и Миллер (США) предлагали разделявшие экструдеры по термодинамическим свойствам [23]: - автогенные экструдеры (то есть практически адиабатические), в которых продукт нагревается только за счет перехода механической энергии в тепловую; - изотермические экструдеры, в которых тепло подводится извне, а избыточное тепло отводится носителем (воздух, вода, масло); - политропные экструдеры, имеющие автогенные и изотермические свойства. Эти же авторы предложили более рациональную, так называемую “механическую”, классификация экструдеров в зависимости от деформации сдвига.
Не смогли найти подходящую работу?
Вы можете заказать учебную работу от 100 рублей у наших авторов.
Оформите заказ и авторы начнут откликаться уже через 5 мин!
Похожие работы
Дипломная работа, Автоматизация технологических процессов, 109 страниц
990 руб.
Дипломная работа, Автоматизация технологических процессов, 46 страниц
1150 руб.
Дипломная работа, Автоматизация технологических процессов, 74 страницы
1850 руб.
Дипломная работа, Автоматизация технологических процессов, 95 страниц
1200 руб.
Дипломная работа, Автоматизация технологических процессов, 60 страниц
1500 руб.
Дипломная работа, Автоматизация технологических процессов, 72 страницы
1800 руб.
Служба поддержки сервиса
+7(499)346-70-08
Принимаем к оплате
Способы оплаты
© «Препод24»

Все права защищены

Разработка движка сайта

/slider/1.jpg /slider/2.jpg /slider/3.jpg /slider/4.jpg /slider/5.jpg