Энергоэффективный экструдер Российский патент 2023 года по МПК A23P30/20 

Изобретение относится к пищевому машиностроению, в частности к устройствам для экструдирования сырья растительного или животного происхождения.

Известен экструдер с вакуумной камерой, который состоит из загрузочной камеры, корпуса, шнека, фильеры, вакуумной камеры, шлюзового затвора, вакуум-насоса, вакуум-регулятора и вакуумметра.

Вакуумная камера экструдера расположена соосно шнеку и фильере матрицы.

Загрузочная камера экструдера по всему своему периметру выполнена в виде двустенной конструкции, верхняя часть которой соединена посредством трубопровода с вакуумным насосом, а нижняя – с вакуумной камерой экструдера. Наружная сторона загрузочной и вакуумной камер экструдера, а также соединяющий их трубопровод, покрыты теплоизоляционным материалом. В нижней части двустенной конструкции загрузочной камеры расположена пробка для слива конденсата. С целью более точного регулирования давления в вакуумной камере, вакуум-регулятор расположен между загрузочной и вакуумной камерами экструдера.

Техническое решение данного экструдера с вакуумной камерой, выбранного в качестве аналога для заявляемого объекта, позволяет снизить энергозатраты на выполнение рабочего процесса экструдера с одновременным повышением эффективности удаления влаги из получаемого экструдата [1].

Недостатком данного аналога являются высокие энергетические затраты на выполнение технологического процесса экструдирования.

Известен энергосберегающий экструдер, конструкция которого позволяет в значительной мере устранить указанный недостаток и более рационально использовать энергетических ресурсы, потребные для работы одношнековых экструдеров.

Энергосберегающий экструдер, выбранный в качестве прототипа для предлагаемого изобретения, включает загрузочную камеру, корпус, фильеру, вакуумную камеру, шлюзовой затвор, вакуум-насос, вакуум-регулятор и вакуумметр.

Корпус экструдера выполнен составным и в его передней части расположен винтовой насос, состоящий из металлического ротора и статора с эластичной обкладкой, между винтовыми поверхностями которых образуются рабочие камеры. Винтовой насос взаимодействуют с подающим шнеком, расположенным в загрузочной камере.

Во второй части корпуса расположено нагревающее устройство в виде стальной трубы, охваченной индуктором, выполненным в виде витков изолированного медного провода.

Фильера матрицы расположена на выходе сырья из нагревающего устройства в вакуумную камеру экструдера.

Верхняя часть загрузочной камеры выполнена одностенной с боковыми стенками, расположенными под углом, меньшим угла трения обрабатываемого сырья о материал стенки камеры, а ее нижняя часть представляет собой цилиндрическую двустенную конструкцию, межстенное пространство которой соединено с вакуумным насосом и вакуумной камерой экструдера.

Рабочий процесс прототипа осуществляется следующим образом.

Обрабатываемое сырье с помощью подающего шнека загрузочной камеры поступает в рабочую зону винтового насоса. Соприкасаясь с внутренними горячими стенками цилиндрической части загрузочной камеры, сырье повышает свою температуру, и в винтовой насос поступает при температуре примерно 40-45°С.

В зоне индукционного нагрева температура сырья повышается до 100-120°С, и при давлении нагнетания винтового насоса 0,8-0,9 МПа выводится через отверстия фильеры матрицы в вакуумную камеру.

Попадая из области высокого давления (в стальной трубе) в зону низкого давления (в вакуумную камеру), горячее сырье подвергается декомпрессионному взрыву, который представляет собой процесс мгновенного перехода жидкости, находящейся в сырье, в пар.

Образующийся пар температурой 100-120°С с помощью вакуумного насоса перемещается в межстенное пространство цилиндрической части загрузочной камеры, где часть его конденсируется и в виде жидкости стекает в нижнюю часть загрузочной камеры. Оставшаяся часть пара удаляется вакуумным насосом в атмосферу (ротационный насос) или поглощается рабочей жидкостью (водокольцевой насос). Готовый продукт с помощью шлюзового затвора выводится за пределы энергосберегающего экструдера и поступает на фасование.

Таким образом, снижение энергозатрат на выполнение рабочего процесса в прототипе обеспечивается за счет замены шнекового рабочего органа экструдера на винтовой насос и индукционный нагреватель [2].

Недостатки прототипа обусловлены конструктивно-технологическими особенностями индукционного нагревателя: нагрев обрабатываемого сырья осуществляется за счет теплообмена с внутренней стенкой стальной трубы нагревающего устройства экструдера, т.е. ферромагнитной частью нагревательного устройства. В свою очередь это приводит к неравномерному нагреву обрабатываемого сырья: перегрев его верхнего слоя и недостаточно высокую температуру нагрева более глубинных слоев. Как следствие этого возможно пригорание сырья к внутренней поверхности трубы нагревающего устройства, увеличение времени нахождения сырья в рабочем объеме нагревающего устройства с одновременным существенным повышением энергозатрат индукционным нагревателем.

Устранение этих недостатков связано с заменой индукционного способа нагрева обрабатываемого сырья в энергосберегающем экструдере на диэлектрический сверхвысокочастотный (СВЧ) нагрев.

Известно, что СВЧ-нагрев имеет ряд преимуществ перед традиционными методами термической обработки:

– высокая скорость нагрева и его равномерность вследствие «объемной» подачи тепла;

– сохранение витаминов и других незаменимых нутриентов пищевого продукта;

– возможность мягкого режима термообработки, подачи тепла импульсами, т.е. ступенчатого нагрева;

– создание заданной температурной неравномерности при термообработке пищевых продуктов путем подбора формы рабочих органов СВЧ-генератора или применением заслонов (экранов), регулирующих пропускание микроволн к продукту;

– высокая экономичность процесса (отсутствие контакта с теплоносителем и генерация тепла в самом продукте сводят к минимуму потери тепла на нагрев оборудования и во внешнюю среду; потребление электроэнергии СВЧ-генераторами значительно меньше, чем электроплитами и другими нагревательными приборами) [3].

Целью предлагаемого изобретения является повышение энергетической

эффективности и надежности рабочего процесса экструдера. При этом повышение энергоэффективности экструдера предполагается обеспечить за счет модернизации его нагревающего устройства, а надежность рабочего процесса – конструктивным решением загрузочной камеры машины.

На фиг. 1 изображена конструктивно-технологическая схема заявляемого

энергоэффективного экструдера.

Энергоэффективный экструдер состоит из мотор-редуктора 1, загрузочной камеры 4 с расположенными в ней металлическим ситом 5, питающим шнеком 18 с дополнительной лопастью 6 и приводом 7, составного корпуса, фильеры матрицы 13, вакуумной камеры 14, шлюзового затвора 15, вакуумного насоса 3, вакуум-регулятора 10 и вакуумметра 11.

В передней части составного корпуса расположен винтовой насос, состоящий из металлического ротора 17 и статора 9 с эластичной обкладкой. Между винтовыми поверхностями ротора и статора образованы рабочие камеры (капсулы-шлюзы), которые периодически открываются и закрываются, что приводит к всасыванию и нагнетанию насосом перекачиваемой среды. При этом количество таких камер (замкнутых полостей на единицу длины винтовой пары) определяет максимальное давление винтового насоса, а объем каждой полости – его производительность.

Особенностью большинства винтовых насосов является ограничение, связанное с максимальным размером перемещаемых частиц. Например, для насосов серии ВН и ВНП этот размер составляет 5 мм.

С целью недопущения попадания частиц обрабатываемого сырья с большим размером, в верхней части загрузочной камеры над ее питающим шнеком предлагается установить металлическое сито с ячейками диаметром не больше 5 мм. Такой размер ячеек, сита обеспечит штатную работу винтового насоса.

Просеивание частиц обрабатываемого сырья обеспечивается вращающейся лопастью, закрепленной над витками питающего шнека, при этом ячейки сита выполнены с диаметром, меньшим диаметра отверстий фильеры матрицы, что предотвращает их забивание частицами обрабатываемого сырья.

Во второй части корпуса расположено нагревающее устройство, выполненное в виде толстостенной трубы 16 и двух магнетронов 12, оснащенных автоматической системой управления.

Труба изготовлена из радиопрозрачного термостойкого материала. Она закреплена в корпусе экструдера и с помощью уплотнительного устройства соединена с винтовым насосом. Свободный торец трубы упирается в фильеру матрицы 13, представляющую собой пластину с одним или несколькими отверстиями определенного диаметра.

Фильера матрицы расположена на выходе сырья из нагревающего устройства в вакуумную камеру экструдера. Количество и диаметр отверстий фильеры зависят от потребной производительности экструдера.

Повышение температуры обрабатываемого сырья в тепловой камере экструдера происходит за счет диэлектрического нагрева, при котором тепло выделяется непосредственно в обрабатываемом сырье под действием электромагнитных колебаний индуцированных токов. Таким образом, перенос теплоты в системе «генератор-среда-объект нагрева» осуществляется электромагнитными колебаниями, при этом тепловая энергия генерируется непосредственно в объекте нагрева.

Конструкция загрузочной камеры 4 экструдера позволяет осуществлять предварительный подогрев обрабатываемого сырья. С этой целью она выполнена в виде цилиндрической двустенной конструкции, межстенное пространство 8 которой с помощью трубопроводов соединено с вакуумным насосом 3 и вакуумной камерой 14 экструдера.

Загрузочная камера 4 и вакуумная камера 14 экструдера с внешней стороны покрыты теплоизоляционным материалом (например, напыляемым утеплителем PENOPLEX). Соединяющий их трубопровод также теплоизолирован.

В связи с тем, что теплота горячего пара будет расходоваться на нагрев сырья, поступающего в загрузочную камеру, большая часть пара будет конденсироваться в этой части экструдера. Для удаления конденсата из межстенного пространства 7 загрузочной камеры 4 в ее нижней части предусмотрена специальная пробка 2.

Шлюзовой затвор 15 служит для выгрузки готового продукта без разгерметизации вакуумной камеры 14 энергосберегающего экструдера. Он представляет собой корпус цилиндрической формы и вращающуюся в нем многолопастную (4-12 шт.) крыльчатку (ротор) на шариковых подшипниках.

Вакуумный насос 3 служит для создания в вакуумной камере экструдера пониженного давления (давления ниже атмосферного), равного 0,05-0,07 МПа.

Вакуум-регулятор 10 необходим для поддержания пониженного давления в вакуумной камере 14 экструдера в заданных пределах при требуемых производительности экструдера, а также влажности обрабатываемого сырья и готового продукта. Для контроля давления в вакуумной камере энергосберегающего экструдера служит вакуумметр 11.

Пример выполнения заявляемого энергоэффективного экструдера.

В качестве основы для изготовления энергоэффективного экструдера может быть взят передвижной насос ВН-12-1,35/6-187 с бункером, выпускаемый производственной компанией «Ампика» (Россия).

Установка предназначена для перекачивания строительных штукатурных растворов, цементных растворов, пенобетона и т.п. с размерами частиц до 5 мм и представляет собой героторный насос с бункером на 100 литров и мотор-редуктором с частотным преобразователем. Частотный преобразователь обеспечивает регулирование подачи и подбор оптимальных оборотов для перемещения сырья с различной вязкостью. Подача насоса – 1,35 м³/ч, напор – 0,6 МПа. Мощность привода (с учетом электродвигателя шнекового питателя бункера) – 2,2 кВт. Напряжение питания – 220 В.

Бункер для экструдера выполнен в виде двустенной конструкции, устойчивость которой при воздействии пониженного давления обеспечивается ребрами жесткости, дополнительно установленными в межстенном пространстве.

В качестве нагревающего устройства может быть использована труба из титаносиликатного термостойкого стекла и двух магнетронов, снабженных системой управления их рабочим процессом.

Труба с внешним диаметром 0,1 м и толщиной стенок 0,01 м гарантированно выдерживает нагрев до температуры 200-250⁰С с давлением в рабочем объеме 2,5-3,0 МПа.

В качестве магнетрона, применяемого для нагрева (получения радиоволн СВЧ диапазона) можно использовать СВЧ генератор с рабочей частотой 2375 МГц, выходной мощностью 1,0 кВт и КПД 62 %.

Магнетрон имеет воздушное охлаждение; его магнитная система представляет постоянный магнит, а вывод энергии в камеру нагревания осуществляется с помощью коаксиального волновода.

Вакуумная камера экструдера может быть изготовлена из металла или пластмассы, предназначенных для взаимодействия с пищевыми продуктами. Вакуум-провод влажного горячего воздуха может быть выполнен из коррозионностойкого материала.

Вакуумный насос, вакуум-регулятор и вакуумметр подбираются стандартные, согласно требуемой величине вакуума и диапазона его регулирования. Для этой цели могут быть использованы известные устройства, применяемые в установках для 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. Экструдер с вакуумной камерой. Патент RU 192684 U1, опубл. Бюл. №27, 26.09.2019.

2. Энергосберегающий экструдер. Патент RU 2787167 С1, опубл. Бюл. №1, 29.12.2022.

3. Ушакова, Н.Ф. Опыт применения СВЧ-энергии при производстве пищевых продуктов / Н.Ф. Ушакова, Т.С. Копылова, В.В. Касаткин, А.Г. Кудряшова // Пищевая промышленность. – 2013. – № 10. – С. 30-32.

Изобретение относится к устройствам для формования или обработки пищевых продуктов методом экструзии и может найти применение в пищевой промышленности. Экструдер состоит из мотор-редуктора, загрузочной камеры с расположенными в ней металлическим ситом, питающим шнеком с дополнительной лопастью и приводом, а также составного корпуса, фильеры матрицы, вакуумной камеры, шлюзового затвора, вакуумного насоса, вакуум-регулятора и вакуумметра. В передней части корпуса расположен винтовой насос, состоящий из металлического ротора и статора с эластичной обкладкой, между винтовыми поверхностями которых образуются рабочие камеры. Во второй части корпуса смонтировано нагревающее устройство, выполненное в виде толстостенной трубы, изготовленной из радиопрозрачного термостойкого материала, и двух магнетронов, оснащенных автоматической системой управления. В верхней части загрузочной камеры над ее питающим шнеком установлено металлическое сито. Просеивание частиц обрабатываемого сырья обеспечивается вращающейся лопастью, закрепленной над витками питающего шнека, при этом ячейки сита выполнены с диаметром, меньшим диаметра отверстий фильеры матрицы, что предотвращает их забивание. Экструдер обеспечивает повышение энергетической эффективности и надежности рабочего процесса. 1 ил., 1 пр.

Энергоэффективный экструдер, состоящий из загрузочной камеры, составного корпуса, винтового насоса, фильеры, вакуумной камеры, шлюзового затвора, вакуум-насоса, вакуум-регулятора и вакуумметра, отличающийся тем, что во второй части корпуса расположено нагревающее устройство, выполненное в виде трубы из толстостенного радиопрозрачного термостойкого материала и двух магнетронов, оснащенных автоматической системой управления, причем один конец трубы с помощью уплотнительного устройства соединен с выходным патрубком винтового насоса, а второй упирается в фильеру матрицы, при этом в верхней части загрузочной камеры установлено металлическое сито, взаимодействующее с вращающейся лопастью, закрепленной над витками питающего шнека, при этом ячейки сита выполнены с диаметром, меньшим диаметра отверстий фильеры матрицы.