Wpływ geometrii elementów roboczych ekstrudera na energochłonno i jako otrzymywanego produktu

Transkrypt

1 Adam Ekielski, Zbigniew Majewski, Tomasz elaziski Katedra Organizacji i Inynierii Produkcji Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie Wpływ geometrii elementów roboczych ekstrudera na energochłonno i jako otrzymywanego produktu Streszczenie: W pracy przedstawiono wyniki bada wpływu konfiguracji limaka ekstrudera na jednostkowe zuycie energii, stopie ekspansji i uzyskiwan temperatur w czasie procesu. Badania przeprowadzono dla 3 konfiguracji limaka i dwóch wartoci wilgotnoci podawanego surowca. Wyniki bada pozwoliły stwierdzi, e zmiana geometrii elementów roboczych ekstrudera ma wpływ na kształtowanie parametrów procesu ekstruzji. Słowa kluczowe: ekstruder, energochłonno procesu ekstruzji Wprowadzenie Od wielu lat w przemyle spoywczym i paszowym ekstrudery jednolimakowe znajduj szerokie i wielorakie zastosowania [Harper 1981a, b; Rauwendaal, 1989; Chinnaswamy i Hanna, 1988]. Wynika to z ich niskiej ceny, duej wydajnoci i trwałoci. Powszechnie znan wad ekstruderów jednolimakowych jest stosunkowo wski zakres zmian parametrów przebiegu procesu, którymi mona sterowa, oraz wystpujca interakcja midzy parametrami procesu. Jednym z najwczeniej zaprezentowanych modeli opisujcych prac ekstrudera jednolimakowego był model opracowany i przedstawiony przez Darnell a i Moll a [1956]. Model ten był rozwijany przez wielu innych badaczy. Opisywał proces przemieszczania materiału wewntrz tulei cylindra ekstrudera. Sam proces ekstruzji jest stosunkowo prostym procesem, jednak sterowanie charakterystyk produktu kocowego jest skomplikowane. Temperatura pracy i zawarto wilgoci s kluczowymi parametrami wpływajcymi na wewntrzn struktur oraz własnoci lepkociowe otrzymywanego ekstrudatu zboowego [Brendt i inni, 1997]. Wzrastajca temperatura procesu zmniejsza zwykle lepko. Prowadzi to do spadku zuycia energii, jednak w ekstruderach autogenicznych moe powodowa zmniejszenie wartoci sił tarcia i w efekcie obnienie temperatury procesu, powodujc ponowny wzrost lepkoci. W ekstruderach uywanych w przemyle spoywczym i paszowym stosowanych jest kilka metod poprawiajcych moliwoci sterowania przebiegiem procesu: wydłuenie cylindra (zwikszenie stosunku L/D), dostosowanie parametrów cylindra i limaka, ograniczenie przepływu materiału poprzez wprowadzenie elementów zakłócajcych przepływ surowca. Wydłuenie czasu przebywania w obszarze podwyszonego cinienia dziki wydłueniu czci sprajcej moe zapobiec spadkowi temperatury materiału w ekstruderze. 101

2 W pracy próbowano wyznaczy optymaln konfiguracj limaka ekstrudera pozwalajc na uzyskanie właciwej temperatury generowanej w układzie ekstrudera adiabatycznego. Wpływ kształtu limaka i jej profilu wielokrotnie przedstawiano w licznych publikacjach dotyczcych ekstruderów. Zawsze jednak podkrelano, e dotyczy to profilu limaka w okrelonym ekstruderze. To zastrzeenie jest spowodowane wystpujc interakcj pomidzy poszczególnymi elementami współpracujcymi. Dlatego w wielu publikacjach zwraca si uwag na konieczno poprawnego doboru parametrów geometrycznych limaka [Yeh, Jaw, 1999] do pozostałych parametrów geometrycznych ekstrudera. Cel i zakres pracy Celem podjtych bada było zbadanie wpływu zmiany konfiguracji elementów roboczych ekstrudera jednolimakowego na parametry technologiczne przebiegu procesu ekstruzji. Zakres pracy obejmował pomiary: jednostkowego zuycia energii elektrycznej, osiganej temperatury głowicy ekstrudera oraz objtociowego współczynnika ekspansji ekstrudatu [VEI]. Badania przeprowadzono dla trzech konfiguracji limaka oraz dwóch wartoci wilgotnoci podawanego materiału. Metodyka bada Materiałem wejciowym była ruta kukurydziana o wilgotnoci 14% i 25%, rozdrobniona w rozdrabniaczu bijakowym o rednicy otworów w sitach wynoszcych 3 mm. Wilgotno 25% otrzymano nawilajc rozdrobnion rut w mieszalniku wstgowym. Obiektem bada był proces ekstruzji w ekstruderze jednolimakowym o standartowym stosunku L/D wynoszcym 6,5 i prdkoci obrotowej n = 200 obr/min. Zuycie energii elektrycznej mierzono bocznikiem prdowym o klasie dokładnoci k=1.5 i woltomierzem o klasie dokładnoci k = 2 połczonymi z urzdzeniem rejestrujcym uredniajcym i mnocym o czstotliwoci próbkowania f=1hz. Na podstawie wartoci uzyskanych parametrów obliczano moc pobieran przez ekstruder. Temperatur głowicy ekstrudera mierzono w dwóch punktach w pobliu otworów wylotowych oporowymi przetwornikami temperatury Pt100. Gsto (wzór 1) ekstrudatu mierzono stosujc zmodyfikowan metod wypornociow [Pan 1998]. Dla kadego punktu pomiarowego mierzono 15 próbek pomiarowych z wzgldnym błdem granicznym wynoszcym =1% kady. Do obliczenia stopnia ekspansji objtociowej stosowano wzór 2 [Alvarez-Martinez 1988]. ρ e = m/v e (1) ρm VEI = ρ e ( 1 MCm ) ( 1 MC ) c (2) 102

3 gdzie: ρ - gsto [m3/kg], MC zawarto wilgoci [%], m masa ekstrudatu [kg], V e objto ekstrudatu [m 3 ], indeksy: m materiał, e ekstrudat. Badania przeprowadzano dla trzech konfiguracji limaka: I- kocowa sekcja o zwikszonej rednicy rdzenia (rys.4a), II- dwie kocowe sekcje o zwikszonej rednicy rdzenia (rys.4b), III- wszystkie sekcje o jednakowej rednicy rdzenia (rys.4c). W kadym przypadku sekcje oddzielone były tarczami spitrzajcymi. Badania przeprowadzono zmieniajc natenie przepływu surowca wynoszce od kg/h. W celu obnienia wpływu błdu przypadkowego, masa próbki wynosiła 30 kg. Z takiej próbki pobierano 15 próbek, które nastpnie poddano badaniom. Uzyskane wyniki poddano analizie wariancyjnej. Wyniki bada Wpływ konfiguracji limaków Poddano weryfikacji hipotez H 0 równoci wartoci rednich otrzymanych wartoci jednostkowego zuycia energii w przypadku kadej z frakcji dla poziomu istotnoci =0.05. Poniewa otrzymane parametry F dla trzech zmierzonych parametrów spełniaj warunek F>F 0,05 hipotez H 0 naley odrzuci. Istnieje zatem istotna statystycznie rónica zmiennoci wartoci rednich. Na wykresie poniej (rys. 1.) przedstawiono zmiany jednostkowego zuycia energii w zalenoci od natenia przepływu i konfiguracji limaków. Podczas bada najwiksze jednostkowe zuycie energii zaobserwowano przy II konfiguracji limaków (rys. 4b). Spowodowane było ono zwikszonym stopniem sprania co w efekcie zmniejsza wydajno i prowadzi do zwikszonego zuycia energii elektrycznej. Optymalnym zestawieniem limaków ekstrudera okazało si zestawienie I (rys. 4a), przy którym zuycie energii było stosunkowo niskie. Przy tym zestawieniu limaków take współczynnik ekspansji objtociowej (rys. 2) był stosunkowo wysoki i miecił si w granicach od 5 6. W trakcie bada najwysz temperatur uzyskano przy II zestawieniu limaka (rys. 4b). Wynosiła ona około 170 o C. Nieznacznie nisz temperatur uzyskano take przy zestawieniu I (rys. 4a). 103

4 E [kwh/t] I II III Rys. 1. Zmiana jednostkowego zuycia energii w zalenoci od natenia przepływu i konfiguracji limaków Fig. 1. Change in the specific energy consumption as a function of the flow rate and the screw configuration VEI Q [kg/h] Q [kg/h] Rys. 2. Zmiana objtociowego współczynnika ekspansji w zalenoci od natenia przepływu i konfiguracji limaków Fig. 2. Change in the volumetric expansion coefficient as a function of the flow rate and the screw configuration 200 T ( C) I II III I II 125 III Q [kg/h] Rys. 3. Zmiana temperatury w zalenoci od natenia przepływu i konfiguracji limaków Fig. 3. Change in temperature as a function of the flow rate and the screw configuration 4a 4b 104

5 4c Rys. 4. Schemat konfiguracji limaków; a konfiguracja limaka z jedn czci o zwikszonej rednicy rdzenia, b konfiguracja limaka z dwoma czciami o zwikszonej rednicy rdzenia, c - konfiguracja limaka bez czci o zwikszonej rednicy rdzenia. Fig. 4. Diagram of screw configuration; a configuration of a screw with one part with an increased diameter of core, b configuration of a screw with two parts with an increased diameter of core, c - configuration of a screw without any part with an increased diameter of core. Niezadowalajce wyniki bada otrzymano przy III zestawieniu limaków (rys. 4c), przy którym wystpowały trudnoci w uzyskaniu odpowiedniej temperatury (rys. 3), i współczynnika ekspansji objtociowej, który po zmierzeniu wynosił od 2,1 do 3. Wnioski Wyniki bada pozwoliły stwierdzi, e zmiana geometrii elementów roboczych ekstrudera ma istotny wpływ na przebieg procesu ekstruzji. Zmniejszenie przekrojów kanałów limaka istotnie wpływało na zwikszenie energochłonnoci procesu. Przy zastosowaniu dwóch limaków o zmniejszonym przekroju kanałów limaka (ze zwikszon rednic rdzenia) jednostkowe zuycie energii wzrosło nawet do 225 KWh/h. Najwysz warto współczynnika ekspansji objtociowej (około 5,5 6,5) uzyskano przy dołczeniu do limaka dwóch sekcji o zmniejszonym przekroju kanałów limaka. Dla tego typu ekstrudera optymalnym z energetycznego punktu widzenia zestawieniem limaków było zastosowanie jednej sekcji o zmniejszonym przekroju kanałów limaka i dwóch sekcji o zwikszonym przekroju kanałów limaka, przy którym warto jednostkowego zuycia zawierała si w granicach KWh/h. Zmiana geometrii elementów roboczych ekstrudera znacznie wpłynła na zmiany temperatury wewntrz tulei ekstrudera. Maksymaln temperatur ekstruder osigał przy II zestawieniu limaków (około 170 o C) za minimaln przy III zestawieniu limaków (około 125 o C). Bibliografia Brendt J. L., Mulvaney S. J., Cohen C., Bartsch J. A., Thermomechanical glass transition of extruded cereal melts. Journal of Cereal Science, 26,

6 Chinnaswamy R., Hanna M. A Relationship between amylose content and extrusion-expansion properties of corn starches. Cereal Chemistry, 65, Darnell W.H, E.A.J. Moll. 1956: SPE Journal, (12), 20 Harper, J. M. (1981a). Ekstrusion of foods (Vol. 1, 14th ed.). Boca Raton. FL: CRC Press Harper, J. M. (1981b). Food extruder and their applications. In C. Mercier, P. Linko, & J. M Harper (Eds.), Extrusion Cooking (pp. 1-15). St. Paul MN: American Association of Cereal Chemists Pan Z., Zhang S., Jane J Effects of extrusion variables and chemicals on the properties starch-based binders and processing conditions. Cereal Chem. 75: Rauwendaal C., The ABC of extruder screw design. Advences in Polymer Technology, 9, Yeh An-I., Jaw Y.-M.,1999. Effects of feed rate and screw speed on operating characteristics and extrudat properties during single screw extrusion cooking in rise flour. Celear Chemistry, 76, Influence of the working element geometry of the extruder on the energy consumption and quality of the obtained product Summary: The paper presents results of investigations on the influence of the configuration of an extruder screw on the specific energy consumption, degree of expansion and temperature produced while processing. The investigations were carried out for three configurations of a screw and two values of humidity of the row-material supplied. Experimental results revealed that a change in the geometry of working elements of the extruder have the effects on moulding the process parameters of extrusion. Keywords: extruder, energy consumption in the process of extrusion 106