Екструдер

Реферат: Винахід належить до обладнання для обробки органічної сировини і може бути використаний для виробництва гранул комбінованих кормів із поживної рослинної сировини, деревнополімерних композитів і органічного композитного матеріалу. Екструдер містить корпус, привід, шнек з конічним наконечником, калібрувальну матрицю, на поверхні конічного наконечника шнека, який знаходиться у зоні матриці, виконані лопатки, розміщені по колах, згідно з винаходом, до конічного наконечника приєднана циліндрична частина, розміщена у передматрічній зоні, довжина якої складає 0,01-3 діаметра шнека, на циліндричній частині також виконані лопатки, всі лопатки у перерізі мають форму прямокутника, конічний наконечник має кут при вершині від 5 до 170°, матриця екструдера складається із конусоподібної частини і частини, перпендикулярної осі шнека, конусоподібна частина матриці повернута до шнека, при цьому кут при вершині конусоподібної частини матриці більше кута при вершині конічного наконечника на 0-20°, в матриці виконані формуючі канали, які розміщені паралельно осі шнека і складаються з двох частин: широкої і вузької, різної довжини. Технічний результат, який досягається внаслідок використання даного винаходу, полягає в розширенні сфери використання екструдера. UA 109693 C2 (12) UA 109693 C2 UA 109693 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до обладнання для обробки органічної сировини і може бути використаний для виробництва гранул комбінованих кормів із поживної рослинної сировини, деревно-полімерних композитів і органовмісних композитних матеріалів. Відомий шнековий екструдер, що містить шнековий корпус, на внутрішній поверхні якого виконані направляючі канавки, всередині якого розташований шнек з гвинтовою нарізкою, головку у вигляді патрубка для установки матриці на кінці шнекового корпусу. На кінці шнека з боку матриці виконані направляючі канавки, а на внутрішній поверхні корпусу - гвинтова нарізка. (Патент РФ № 2306775 "Шнековий екструдер", опубл. 27.09.2007 р., бюл. № 27). До недоліків відомої конструкції слід віднести складність підтримання необхідних фізикохімічних перетворень основних компонентів (білків, жирів, ферментів) екструдату в передматричній зоні екструдера, обумовлене недостатнім регулюванням термомеханічного впливу на продукт. Найближчим аналогом даного технічного рішення є екструдер, що містить корпус, шнек з приводом, матрицю, на поверхні конусного наконечника шнека, який знаходиться у зоні матриці, виконані лопатки, які мають у поперечному розрізі форму паралелограма і розміщені по колах з висотою, яка поступово збільшується у кожному ряді, при цьому верхня поверхня парних лопаток у кожному ряді виконана пласкою, а верхня поверхня непарних - з пазоподібними вирізами, вигнутими у бік обертання, матриця екструдера складається з двох розбірних конусоподібних частин, між якими розміщена спіраль для нагріву, уздовж осі конусного наконечника шнека виконаний отвір з різьбою для кріплення радіально розміщеного ножа (Патент РФ № 2422274 "Екструдер", опубл. 27.06.2011, бюл. № 18). До недоліків найближчого аналога слід віднести те, що зона гомогенізації (зона матриці) є невеликою, через що в процесі обробки неможливо досягти необхідної глибини фізико-хімічних перетворень основних компонентів матеріалу, який підлягає обробці (білки, крохмаль, ферменти), що зумовлено недостатнім термомеханічним впливом на продукт. Крім того, матеріал, який отримують на виході, являє собою пластівці з малою насипною щільністю. Все вищенаведене зумовлює те, що даний аналог можна використовувати лише для переробки харчових продуктів. В основу винаходу поставлено технічну задачу створення такого екструдера, у якому за рахунок використання нової конструкції матриці і шнека вдалось би досягти необхідної глибини фізико-хімічних перетворень основних компонентів матеріалу, який підлягає обробці і, за рахунок цього, розширити сферу використання даного екструдера. Так, крім харчових продуктів, можна використовувати органічні композитні матеріали і деревно-полімерні композити. Технічний результат, який досягається внаслідок використання даного винаходу, полягає в розширенні сфери використання екструдера. Даний технічний результат досягається тим, що екструдер, що містить корпус, привід, силову передачу, патрубок завантаження, шнек з наконечником у вигляді зрізаного конуса, калібрувальну матрицю, на поверхні наконечника шнека у вигляді зрізаного конуса, який знаходиться у зоні матриці, виконані лопатки, розміщені по колах, згідно з винаходом, до наконечника шнека у вигляді зрізаного конуса приєднана циліндрична частина, розміщена у передматричній зоні, довжина якої складає 0,01-3 діаметра шнека, на циліндричній частині також виконані лопатки, всі лопатки у перерізі мають форму прямокутника, наконечник у вигляді зрізаного конуса має кут при вершині від 5 до 170°, матриця екструдера складається із внутрішньої частини, виконаної з можливістю розміщення наконечника у вигляді зрізаного конуса і повернутої до шнека, і зовнішньої частини, перпендикулярної осі шнека, при цьому кут при вершині внутрішньої частини матриці більше кута при вершині наконечника шнека у вигляді зрізаного конуса на 0-20°, в матриці виконані формуючі канали, які розміщені паралельно осі шнека і складаються з двох частин: вузької і широкої, різної довжини. Аналіз співставлення з найближчим аналогом свідчить, що до наконечника шнека у вигляді зрізаного конуса приєднана циліндрична частина, розміщена у передматричній зоні, довжина якої складає 0,01-3 діаметра шнека, на циліндричній частині також виконані лопатки, всі лопатки у перерізі мають форму прямокутника, наконечник у вигляді зрізаного конуса має кут при вершині від 5 до 170°, матриця екструдера складається із внутрішньої частини, виконаної з можливістю розміщення наконечника у вигляді зрізаного конуса і повернутої до шнека, і зовнішньої частини, перпендикулярної осі шнека, при цьому кут при вершині внутрішньої частини матриці більше кута при вершині наконечника шнека у вигляді зрізаного конуса на 020°, в матриці виконані формуючі канали, які розміщені паралельно осі шнека і складаються з двох частин; вузької і широкої, різної довжини. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю суттєвих ознак винаходу і технічним результатом, що досягається, полягає в наступному. 1 UA 109693 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Наявність циліндричної частини шнека, на якій виконані лопатки, обумовлює збільшення зони гомогенізації. Збільшення зони гомогенізації забезпечує необхідну глибину фізико-хімічних перетворень, що дозволяє розширити сферу використання екструдера. Величина довжини циліндричної частини шнека встановлена експериментально і залежить від якості оброблюваного матеріалу. При необхідності поглибити фізико-хімічні перетворення вона збільшується. Присутність лопаток на поверхні конічного наконечника і циліндричної частини шнека забезпечує інтенсивне механічне перемішування продукту, фізико-хімічні перетворення, термомеханічну деструкцію і в подальшому доведення продукту до однорідності. Наявність в матриці формуючих каналів забезпечує вихід обробленого матеріалу у найбільш сприятливій для подальшого використання формі. Що також забезпечує досягнення технічного результату. Величина кута при вершині наконечника у вигляді зрізаного конуса від 5 до 170°, а також величина кута при вершині внутрішньої частини матриці, виконаної з можливістю розміщення наконечника у вигляді зрізаного конуса, який більше кута при вершині наконечника у вигляді зрізаного конуса на 0-20°, встановлені експериментально і залежать від якості оброблюваного матеріалу Для поживної рослинної сировини ці величини є невеликими, для деревно-полімерних композитів - достатньо великими і досягають максимуму. Суть винаходу пояснюється кресленням, де на фіг. 1 зображений фронтальний вигляд екструдера; на фіг. 2 - матрична і передматрична зони екструдера. Екструдер містить патрубок завантаження 1, корпус 2, шнек 3 з конічним наконечником у вигляді зрізаного конуса 4, калібрувальну матрицю 5. Шнек 3 обертається за рахунок приводу 6 через силову передачу 7. На поверхні вала 3 виконані витки 8 зі змінним кроком і товщиною витка. До наконечника у вигляді зрізаного конуса 4 приєднана циліндрична частина 9, довжина якої складає від 0,01 до 3 діаметрів D шнека 3. Наконечник у вигляді зрізаного конуса 4 має кут α при вершині, рівний від 5° до 170° (фіг. 2). На наконечнику у вигляді зрізаного конуса 4 і на циліндричній частині 9, які знаходяться у зоні матриці 5 і у передматричній зоні, виконані лопатки 10, розміщені по колах. Конструкція передбачає таку кількість, розміщення і розміри лопаток, які б не порушили руху продукту, під час якого останній проковзує по поверхні циліндричної частини 9. Тобто, лопаток не повинно бути забагато, вони повинні розміщуватися не надто близько одна від одної і мати не надто великі розміри. Одночасно з цим, кількість лопаток і довжина циліндричної частини шнека повинно бути достатнім для необхідного ефекту гомогенізації, подрібнювання включень і проходження фізико-хімічних перетворень. Матриця 5 екструдера складається із внутрішньої частини 11, виконаної з можливістю розміщення наконечника у вигляді зрізаного конуса, і частини 12, перпендикулярної осі шнека 13. Частина 11 матриці 5 повернута до шнека 3, при цьому кут β при вершині частини 11 матриці 5 більше кута α при вершині наконечника у вигляді зрізаного конуса 4 на 0-20°. При цьому ширина каналу, по якому проходить продукт, постійно зменшується. В калібрувальній матриці 5 виконані формуючі канали 14 для виходу обробленого матеріалу. Формуючі канали мають першу вузьку частину меншого діаметра, що забезпечує формування діаметра гранули, а потім другу широку частину більшого діаметра, що перевищує діаметр гранули, що утворюється після виходу продукту з першої частини. Кількість формуючих каналів залежить від хімічного складу і фізико-механічних властивостей продукту, який обробляється. Екструдер працює наступним чином. Вихідний продукт із патрубка завантаження 1 надходить в зону витків 8 шнека 3 і захоплюється останнім за рахунок різниці сил тертя між продуктом і стінками корпусу 2 та витками 8 шнека 3. При цьому відбувається одночасне ущільнення продукту. У зазорі між циліндричною частиною 9 шнека 3 і корпусом 2, а також наконечником у вигляді зрізаного конуса 4 і матрицею 5 утворюються зони інтенсивного змішування з ціллю отримання однорідної суміші. Лопатки, виконані на циліндричній частині шнека, рухаються з великою швидкістю крізь потік продукту в екструдері. Навколо лопаток відбувається сильне локальне викривлення потоку, яке забезпечує руйнування структури волокнистих матеріалів. Продукт стає більш однорідним, тому що в області викривлення потоку при високій інтенсивності напруги зсуву у потоці, а також при локальному підвищенні температури і тиску створюються умови для фізико-хімічних перетворень продукту. Це дозволяє переробляти композиції, що містять такі 2 UA 109693 C2 5 10 15 20 25 30 матеріали, як висівки, лушпайки гречки, вівса, проса, очерет, целюлозу, відходи виробництва паперу. Після переробки на екструдері можна одержувати корми, деревно-композитні матеріали і органо-мінеральні добрива та інші по призначенню органовмісні композитні матеріали та продукти. Коли продукт попадає в зону циліндричної частини 9 та конічного наконечника 4 він додатково підігрівається за рахунок тертя і переходить до стану розплаву, що полегшує інтенсивне механічне перемішування за допомогою лопаток 10, обумовлює фізико-хімічні перетворення, термомеханічну деструкцію і в подальшому доведення продукту до однорідності. Різниця між кутами α і β і відповідно зменшення ширини каналу, по якому проходить продукт, дозволяє збільшити градієнт деформацій зсуву або залишити його на тому ж рівні, не дивлячись на зменшення радіуса наконечника шнека. Це відповідає характеру змінення властивостей продукту зниження в'язкості, зменшення неоднорідності. Рекомендовано для більших значень кута α мати більші значення різниці між кутами α і β. Однорідний продукт виходить із матриці крізь формуючі канали 14. Оброблений на екструдері продукт являє собою розплав, який має підвищену вологість і липкість. Після виходу із матриці цей продукт здимається за рахунок різкого випаровування перегрітої води, яка знаходиться в ньому. Це спричиняє до різкого охолонення продукту до температури 100 °C. При цьому більшість розтоплених компонентів продукту переходять із рідкого стану у твердий. Описані процеси відбуваються дуже швидко. Канали матриці мають спочатку частину меншого діаметра, яка забезпечує формування визначеного діаметра гранули, а потім - другу частину більшого діаметра. Діаметр другої частини більше, ніж діаметр гранули після здимання. Таким чином, забезпечується вільний відвід парів води в атмосферу. При цьому відбувається втрата пластичності і липкості продукту, що покращує його якість та полегшує подальші стадії обробки: забезпечує легку обрізку гранул без налипання на ніж, та транспортування гранул. Для підтвердження можливості досягнення технічного результату були проведені дослідження. Перше дослідження. У п'ять екструдерів з різними значеннями довжини циліндричної частини шнека відносно діаметра шнека завантажували різні вихідні продукти для переробки: комбікорм, органо-мінеральні добрива і деревно-полімерні композити (ДПК). В таблиці 1 наведені дані для кожного екструдера. Таблиця 1 № екструдера примітки 1 0 Відсутні лопатки на циліндричній частині 2 3 4 5 35 Довжина циліндричної частини шнека відносно діаметра 0,01 1 3 5 Після переробки на всіх п'ятьох екструдерах візуально визначали однорідність обробленого продукту. Отримані дані наведені в таблиці 2. Таблиця 2 Однорідність обробленого продукту Неоднорідний Неоднорідний Неоднорідний Однорідний Неоднорідний Неоднорідний номер екструдера Назва вихідного продукту Екструдер № 1 Екструдер № 2 Комбікорм Добрива ДПК Комбікорм Добрива ДПК 3 примітки UA 109693 C2 Продовження таблиці 2 Комбікорм Добрива ДПК 5 10 Однорідний Однорідний Комбікорм Однорідний Добрива ДПК Екструдер № 5 Однорідний Добрива ДПК Екструдер № 4 Однорідний Однорідний Неоднорідний Комбікорм Екструдер № 3 Однорідний Однорідний Перегрівання сировини заварювання екструдера Перегрівання сировини, заварювання екструдера Перегрівання сировини Перегрівання сировини Як видно із таблиці 2, для комбікорму оптимальними є показники, які мають екструдери 2, 3, для органо-мінеральних добрив - екструдери 3, 4, для деревно-полімерних композитів - 4 і 5. Екструдер 5 хоча й забезпечує механічну однорідність оброблених продуктів, але збільшення довжини циліндричної частини шнека більш рекомендованих меж спричиняє надмірне збільшення енергетичних витрат, перегрівання продуктів та втрату їх якості. Друге дослідження. У п'ять екструдерів з різними значеннями кута при вершині наконечника у вигляді зрізаного конуса завантажували різні вихідні продукти для переробки: комбікорм, органо-мінеральні добрива і деревно-полімерні композити (ДПК). В таблиці 3 наведені дані для кожного екструдера. Таблиця 3 Кут при вершині наконечника у вигляді зрізаного конуса,° 3 5 90 170 180 Номер екструдера 1 2 3 4 5 15 Після переробки вихідних продуктів на п'яти екструдерах візуально визначали однорідність обробленого продукту. Отримані дані наведені в таблиці 4. Таблиця 4 номер екструдера 3 Однорідний Добрива ДПК Однорідний Однорідний Комбікорм 2 Однорідність обробленого продукту Комбікорм 1 Назва вихідного продукту Однорідний Добрива ДПК Комбікорм Добрива ДПК Однорідний Однорідний Однорідний Однорідний Однорідний 4 Примітки Перегрівання сировини, заварювання екструдера Перегрівання сировини Перегрівання сировини Перегрівання сировини, заварювання екструдера Перегрівання сировини UA 109693 C2 Продовження таблиці 4 Комбікорм Добрива ДПК Комбікорм Добрива ДПК 4 5 5 10 Однорідний Неоднорідний Неоднорідний Неоднорідний Неоднорідний Неоднорідний Як видно із таблиці 4. для комбікорму оптимальними є показники, які мають екструдери 2, 3, 4, для органо-мінеральних добрив-екструдери 3, для деревно-полімерних композитів - 2, 3. При збільшенні кута при вершині наконечника у вигляді зрізаного конуса (екструдер 5) конструкція шнека не дозволяє отримати однорідний продукт. Третє дослідження. У п'ять екструдерів із значеннями кута при вершині внутрішньої частини матриці, який рівний або більше кута наконечника шнека у вигляді зрізаного конуса, на різні величини, завантажували такі вихідні продукти для переробки: комбікорм, органічно-мінеральні добрива і деревно-полімерні композити. В таблиці 5 наведені дані для кожного екструдера. Таблиця 5 Номер екструдера 1 2 3 4 5 15 Величина, на яку кут при вершині внутрішньої частини матриці більше кута при вершині наконечника,° 0 10 15 20 13 Після переробки вихідних продуктів на п'яти екструдерах візуально визначали однорідність обробленого продукту. Отримані дані наведені в таблиці 6. Таблиця 6 Номер екструдера 1 2 3 Назва вихідного продукту Комбікорм Добрива Деревно-полімерні композити Комбікорм Добрива Деревно-полімерні композити Комбікорм Добрива Деревно-полімерні композити Однорідність обробленого продукту Однорідний Неоднорідний Неоднорідний Однорідний Однорідний Неоднорідний Однорідний Однорідний Однорідний Комбікорм 4 5 Примітки Однорідний Добрива Деревно-полімерні композити Комбікорм Добрива Деревно-полімерні композити Однорідний Однорідний Неоднорідний Неоднорідний Неоднорідний 5 Перегрів, надмірне спучування гранул UA 109693 C2 5 10 15 20 Як видно із таблиці 6 для комбікорму оптимальними є показники, які мають екструдери 1, 2, 3 для органо-мінеральних добрив - екструдери 2, 3 та 4, для деревно-полімерних композитів екструдери 3 та 4. В екструдері 5 при надмірно великій різниці між кутами α та β не можна отримати однорідний продукт. Таким чином, використання даного технічного рішення дозволить підвищити якість гранул обробленого продукту за рахунок регулювання термомеханічного впливу і розширити технологічні можливості екструдера по виробництву продуктів різного полікомпонентного складу, тобто розширити сферу використання екструдера. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Екструдер, що містить корпус, привід, силову передачу, патрубок завантаження, шнек з наконечником у вигляді зрізаного конуса, калібрувальну матрицю, на поверхні наконечника шнека у вигляді зрізаного конуса, який знаходиться у зоні матриці, виконані лопатки, розміщені по колах, який відрізняється тим, що до наконечника шнека у вигляді зрізаного конуса приєднана циліндрична частина, розміщена у передматричній зоні, довжина якої складає 0,01-3 діаметра шнека, на циліндричній частині також виконані лопатки, всі лопатки у перерізі мають форму прямокутника, наконечник у вигляді зрізаного конуса має кут при вершині від 5 до 170°, матриця екструдера складається із внутрішньої частини, виконаної з можливістю розміщення наконечника у вигляді зрізаного конуса і повернутої до шнека, і зовнішньої частини, перпендикулярної осі шнека, при цьому кут при вершині внутрішньої частини матриці більше кута при вершині наконечника шнека у вигляді зрізаного конуса на 0-20°, в матриці виконані формуючі канали, які розміщені паралельно осі шнека і складаються з двох частин: вузької і широкої, різної довжини. 6 UA 109693 C2 Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут інтелектуальної власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7