（农业机械化工程专业论文）单螺杆挤压蒸煮机的可视化研究.pdf

摘要 摘要 为了进一步了解物料在挤压蒸煮机中的变化规律，在原有剖分式单螺杆挤压蒸煮机的基 础上对挤压蒸煮机机筒进行结构改进，设计制作了可视化单螺杆挤压蒸煮机，并进行了玉米 和大米的可视化挤压蒸煮试验，用摄像机在线、实时拍摄了物料在整个挤压过程中的物料变 化情况：物料开始以散粒体的形式输送，而后不断积聚压实成柱塞体，接着物料受热同时受 到强烈的压缩、摩擦和高剪切力作用，柱塞体逐步软化变为粘性很大的熔融体，这种处于高 温、高压状态的熔融体，从模孔挤出时，压力迅速降低，内部水分蒸发，使产品内部产生微 孔状结构，发生膨化。 在可视化挤压蒸煮试验的基础上，试着建立物料在挤压蒸煮机中三种状态的输送模型， 即散粒体输送模型、柱塞体输送模型和熔融体输送模型。 采用三因素五水平进行二次正交旋转组合试验设计，通过“急停挤压蒸煮机”后迅速将挤 压蒸煮机机筒拆卸，沿螺杆方向分a ，b 、c 、d 、e 五段取样分析，得出沿螺杆方向上大米 还原糖含量的变化规律为：a 到b 段增加，b 到c 段减少，c 到d 变化不大，d 到e 段增加。 同时用r e d a 软件对试验数据进行图形分析，得出螺杆转速、机筒温度、物料含水率三个因 素对各段火米还原糖含量的影响规律：1 螺杆转速对各段还原糖含量的影响，随转速增加b 段还原糖含量含量减少；c 段先减少后增加；d 段减少；而e 段则随转速增加而增加。2 含 水率对各段还原糖含量的影响，随含水率的增加b 段还原糖含量先增加而后减小；c 、d 段 先减少后增加；e 段增加。3 机筒温度对各段还原糖含量的影响，随机筒温度增加b 段还原 糖含量先增加后减小；c 段先减少后增加；而d 、e 段增加。 采用三因素五水平进行二次正交旋转组合试验设计，用r e d a 软件对试验数据进行图形 分析，得出了螺杆转速、机筒温度、物料含水率三个因素对挤压蒸煮机功率、挤压蒸煮机生 产率、挤压蒸煮机模头压力和大米膨化度的影响规律：1 螺杆转速对备指标的影响，随着转 速增加功率减小；生产率增加；模头压力增大；膨化度变化不大。2 含水率对各指标的影响， 随含水率增加功率先增加后减小；生产率增加；模头压力减小；膨化度减小。3 机筒温度对 各指标的影响，随机筒温度增加功率先先减少后增加；生产率先增加后减小；模头压力变化 不大；膨化度先减小后增加。 最后，建立了符合生产实际农产品挤出过程的数学模型，更好地为挤压蒸煮系统设计和 参数选择提供依据与理论基础。 关键词：挤压蒸煮；可视化；玉米；大米：模型 av i s u a l i z a t i o ns t u d yo fs i n g l ee x t r u d e r a b s t r a c t i no r d e rt ol e a r nm o r ea b o u tt h ec h a n g e so fm a t e r i a li ne x t r u d e r , an e wt y p eo fv i s u a l i s a t i o n s i n g l e - s c r e we x t r u d e rb a s e do nf o r m e rm a c h i n ew a sd e s i g n e da n dm a n u f f a t u r e d ，i nw h i c ht h e v a r i a n c e so fm a i z ea n dr i c ec a l lb es e a ：nc l e a r l yo nl i n e ：t h em a t e r i a lt r a n s p o r t e di np a r t i c l ea tt h e b e g i n n i n g ，t h e nw a sd e l i v e r e da h e a da n dc o m p a c t e dt ot h ep l u n g e r w i t ht h ef i e r c ec o m p r e s s i n g ， f r i c t i o na n dh i g hs h e a r ，t h ep l u n g e rg r a d u a f i ys o f t e n e da n dm e l t e d i nt h eh i i g hp r e s s u r ea n d t e m p e r a t u r es u c he x t m d a t ew o u l de x p e lf r o mt h ee x t r u d e rd i et oy i e l dt h ef i n a lp r o d u c t i nt h a t p r o c e s st h ep r e s s u r ed e c r e a s e dm o s tr a p i d l ya n dt h ew a t e ri nt h ee x t r u d a t ev a p o r i z e d t h e r ea r ea l o t so fs m a l lh o ki nt h ee x t r u d a t e i nt h eb a s eo fv i s u a l i s a t i o ne x p e r i m e n t s ，t h r e et y p e so ft r a n s p o r t a t i o nm o d e l so fm a t e r i a li n e x t r u d e rw e r ee s t a b l i s h e d ：p a r t i c l et r a n s p o r t a t i o nm o d e 】，p l u n g e rt r a n s p o r t a t i o nm o d e la n dm e l t i n g m a s st r a n s p o r t a t i o nm o d e l w i t ht h em e t h o do ft h eq u a d r a t i co r t h o g o n a lr e l a t i o nc o m b i n a t i o nd e s i g n , f i v es a m p l e sw e r e c o l l e c t e da t f i v es e g m e n t s o f a ，b ，c ，d a n d e a l ? n g t h es c r e w t os t u d y t h er e g u l a r i t yo f t h e c o n t e n t o fr e d u c i n gs u g a ra l o n gt h es c “舭r e s e ts h o w e dt h a t ：i ti si n c r e a s i n gf r o mat oba n dd e c r e a s i n g f r o mbt oct h e ni s c h a n g e l e s s f r o mct oda n d i n c r e a s i n g f r o mdt oe s i m u l t a n e o u s l y , w i t ht h es o f t w a r eo fr e d a t oa n a l y s i st h ei n f l u e n c eo ft h es y s t e mp a r a m e t e r st o t h er e d u c i n gs u g a ro fr i c e r e s u l ts h o w e dt h a t ：1 w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h es c r e wv e l o c i t y , t h e c o n t e n to fr e d u c i n gs u g a ri ns e g m e n tba n dci sd e c r e a s i n ga n di ti sr e v e r s ei ns e g m e n td a n dei s d e c r e a s i n gf i r s t l ya n dt h e ni n c r e a s i n g 2 w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h em o i s t u r ec o n t e n t , t h ec o n t e n to f r e d u c i n gs u g a ri l ls e g m e n tbi si n c r e a s i n gf i r s t l ya n dt h e nd e c r e a s i n g i ti sr e v e r s ei ns e g m e n tca n d d ，a n di ti si n c r e a s i n gi ns e g m e n te 3 w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h eb a r r e lt e m p e r a t u r e ，t h ec o n t e n to f r e d u c i n gs u g a ri ns e g m e n tbi si n c r e a s i n gf i r s t l ya n dt h e nd e c r e a s i n ga n di t i sr e v e r s ei ns e g m e n tc a n di ti si n c r e a s i n gi ns e g m e n tda n de w i t ht h em e t h o do ft h eq u a d r a t i co r t h o g n n a ir e t a t i o nc o m b i n a t i o nd e s i g n ，t h ei n f l u e n c eo ft h e e x t r u s i o ns y s t e mp a r a m e t e r s - - b a r r e lt e m p e r a t u r e ，s c r e wv e l o c i t ya n dm o i s t u r ec o n t e n tt ot h ep o w e r , p r e s s u r ea n dp r o d u c t i v i t yo ft h ee x t r u d e ra n ds w e l l i n gd e g r e eo fe x t r e d a t ew a ss m d i e d r e s u l t s h o w e dt h a t ：1 w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h es c r e wv e l o c i t y , t h ep r o d u c t i v i t ya n dp r e s s u r eo ft h e e x t r u d e ra r ei n c r e a s i n g ，b u tt h ep o w e ri st ob ed e c r e a s e da n dt h ec h a n g eo ft h es w e l l i n gd e g r e ei s n o to b v i o u s 2 w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h em o i s t u r ec o n t e n t , t h ep r o d u c t i v i t yi si n c r e a s i n ga n dt h e p r e s s u r ea n ds w e l l i n gd e g r e ea r ed e c r e a s i n g ，b u tt h ep o w e ro ft h ee x t r u d e ri si n c r e a s i n gf i r s t l ya n d t h e nd e c r e a s i n g 3 w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h eh a n e lt e m p e r a t u r e , t h ep o w e ra n dt h es w e l l i n gd e g r e e 东北农业大学丁学硕j 二学位论文 a r cd e c r e a s i n gf i r s t l ya n dt h e ni n c r e a s i n ga n dt h ep r o d u c t i v i t yi sr c v g r s e ，t h ec h a n g eo ft h ep r e s s u r e i sn o to b v i o u s t h r o u g ht h i ss t u d yp h y s i c a la n dm a t h e m a t i c a lm o d e lw e r er e s e a r c h e d ，i tp r o v i d e dt h et h e o r y a n dt h es c i e n t i f i ce v i d e n c ef o rd e s i g n i n ge x t r u s i o ns y s t e m k e yw o r d s ：e x t r u s i o n ；v i s u a l i s a t i o n ；m a i z e ；r i c e ：e x t r u s i o nm o d e l c a n d i d a t e ：x i aj i a n s h e n g s p e c i a l i t y ：a 鲥删j 血j i a lm a c h i e 1 1 舀i l c 她 s u p e r v i s o r ：p r o f s h e nd e c h a o 研究生学位论文独创声明和使用授权书 独创声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 逵! 翅遗直基丝盂要挂型虚明的：查拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证 书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日期：2 d o ? 年6 月加日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解 密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 导师签名：i 矬 f 日期：丑哆年6 月加日 日期：2 0 们年6 月加日 引言 1 引言 挤压蒸煮技术是将物料从喂料口喂入到挤压蒸煮机中，在螺杆螺旋推动下，物料沿着螺 杆曲折向前移动。同时，由于螺杆与物料。物料与机筒，以及物料内部自身的机械摩擦，物 料被强烈的挤压、搅拌、剪切，其结果使得物料被进一步细化、均化。随着压力的逐渐增大， 温度逐渐的升高，在高温、高压、高剪切的条件下，。物料的物性发生了变化，淀粉糊化，蛋 白质变性，纤维质部分降解等。当熔融的糊状物料从模孔挤出的瞬间，压力骤降到常压，在 强大的压力差作用下物料中的液态水瞬间汽化，挤出物迅急膨爆，膨化成结构疏散、多孔的 结构( 刘天印，2 0 0 0 ) 。 挤压蒸煮加工技术是当今粮油食品工业的新发展，将挤压技术应用于农产品加工业是农 产品深加工的重要研究方向之一( 孟爽。2 0 0 4 ) 。 1 1 课题研究的目的和意义 谷物食鼎的传统加工工艺一般需经过粉碎、混合、成型、烘烤或油炸、杀菌、干燥等生 产工序，每道工序都需配备相应的设备，生产的流水线长，占地面积大，劳动强度高，设备 种类多。而采用挤压技术来加工谷物食品，在原料经初步混合后，即可用一台挤压蒸煮机一 步完成混炼、熟化、破碎、杀菌、预干燥、成型等工艺。与传统的生产工艺相比，挤压加工 极大的改善了谷物食品的加工工艺，缩短了工艺过程，降低了生产费用和劳动强度，同时改 善了口感，提高了产品质量( 张裕中，1 9 9 8 ) 。 谷物经挤压蒸煮后呈片状或蜂窝状结构，体积膨胀，增大了与酶的接触面积，并且经挤 压蒸煮后，脂肪含量大大降低，淀粉及蛋白质等大分子物质发生降解，糊精、还原糖和氨基 酸等小分子物质含量增加，营养成份增加，不溶性物质变成了可溶性物质( 杨铭铎，1 9 8 9 ) 。 挤压蒸煮机为蛋白质提供了一种特殊的变性环境，天然蛋白质在挤压蒸煮机内受到熟和剪切 挤压的综合作用，使蛋白质三级和四级结构的结合力变弱，蛋白质分子由折叠状变为直线状 而发生变性作用，蛋白质分子内、分子间的化学键和相互作用力发生了改变( 王彩云，1 9 9 8 ； 刘天印，2 0 0 0 ) 。另外，通过挤压蒸煮还可以使脂肪酶、过氧化物酶，脂肪氧化酶、黑芥子营 酸酶、脲酶等失活。挤压加工对酶的作用既有积极的方面，也有消极的方面，消极作用是使 淀粉酶、植酸酶失活限t r a t i l ，e t a l , 1 9 9 4 ) 。脂肪在挤压过程中能与淀粉形成淀粉脂肪络合物 降低了挤出物中游离脂肪的含量。这种络合物组织紧密，在糖化过程中很难被酶水解，据 c o l o n n a 研究结果表明，淀粉结构可以在挤压蒸煮过程中发生重组现象，导致直链淀粉的级 分能转换，使v 型直链淀粉脂肪螺旋络合物转换成能量更高更趋于稳定的e 型螺旋络合物 ( d e h a h n ，e ta l ，1 9 8 7 ：高福成，1 9 9 7 ；孙福来，1 9 9 7 ) 。 现在，以大米、玉米、豆类、薯类等为原料，经挤压蒸煮生产快餐食品、焙烤食品、儿 童食品、植物蛋白食品及强化营养食品等技术。在发酵工业中，蒸煮技术在黄酒、食醋、白 酒、淀粉糖等方面的实践均表明，膨化技术能提高原料利用率、降低能耗、提高生产率( 初彦 翠，1 9 9 9 ) 。在国外，挤压技术已广泛的应用于植物油脂工业，对浸出前的大豆和棉籽等油料 种子进行预处理，与传统的浸出制油相比具有简化工艺、减少蒸汽和动力消耗、易于脱溶、 提高设备生产能力达5 0 1 0 0 等优势f 倪培德，1 9 9 0 ) 。 挤压蒸煮技术所带来的好处是显而易见的，然目前对于谷物类食品的挤压蒸煮机理研究 还有许多不足，谷物类食品的挤压蒸煮机理研究主要集中在各种物料挤压蒸煮前、后的质构、 状态以及特性分析方面。研究的目标主要集中在挤压温度、螺杆转速、进料速度、原料含水 率等因素对淀粉糊化、降解作_ ；j 的影响以及对挤压物的融解指数和膨化度影响的研究上a 对 于物料在机筒内的变化过程的分析很少，可以说目前国内外都将挤压蒸煮机作为黑箱处理 ( 刘天印，1 9 9 9 ) ，对各种物料的产前、产后分析较多，对挤压过程中物料预测分析较多， 而对挤压蒸煮机的结构因素对挤压过程中物料的变化状态影响的分析较少。本课题是在原有 挤压蒸煮机的基础上，对挤压蒸煮机机简进行整体的优化设计，研制出了可视化单螺杆挤压 蒸煮机。并对玉米和大米进行了可视化挤压蒸煮试验，观察了物料在挤压蒸煮机里的变化情 况。同时采用“急停挤压蒸煮机，- 将挤压蒸煮机机筒在3 m m s m i n 内全部拆卸的手段， 沿挤压蒸煮机螺杆分段采集样品，研究在挤压过程中物料发生的变化。研究挤压蒸煮过程中 物料变化有助于探索合理的食品配方，建立符合生产实际的食品挤出过程的物理和数学模 型。同时，可以进一步揭示食品的挤压蒸煮机理，改进机器结构参数，并为设计结构更合理、 性能更优异的挤出设备提供依据。 1 2 国内外研究动态和趋势 1 2 1 国外的研究动态 最早关于挤压加工的记载是在1 7 9 7 年，当时j o s e p hb r a m a h 用一个活塞驱动装置制造无 缝铅管o a n s s e a 1 9 7 8 ) 。直到1 8 5 6 年，美国人沃德申请了第一份关于食品挤压技术的专利， 这也是有关食品挤压技术的最早文献( 杨铭铎，1 9 8 8 ) 。1 8 6 9 年第一台用于生产香肠的双螺杆 挤出机问世f g r j a n s e n ，1 9 7 8 ) 。1 8 7 3 年为p h o e n i xg u m m i w e r k e a g 开发出由浅纹螺杆旋转于 圆筒机镗中的单螺杆挤压蒸煮机( l i n k o 等人，1 9 8 1 ) 。到了1 9 3 5 年挤压技术在糖果、焙烤等 食品工业上得到了广泛的应用f j m h a r p e r , 1 9 7 8 ) ，但这时的挤压技术都是冷挤压技术。到了 二十世纪四十年代中期，开发了能拆除套简装置的挤压蒸煮机，虽然这种挤压蒸煮机的套筒 部分还没有引进加热装置，但由于挤压螺杆沟槽及机筒内表面的特殊设计，在挤压过程中的 高度摩擦及强烈剪切效应可产生一定热量对食品组份进行挤压蒸煮，因此这种挤压蒸煮机可 生产出高度膨化的风味小吃食品。二十世纪四十年代末，在挤压蒸煮机的套筒部分引进了加 热装置，这种挤压蒸煮机可对物料进行有效的连续蒸煮，大大改进了挤压物料的功能性质， 提高了其生物利用率和消化能力但l i l l k o ，e c o l o n n g1 9 8 1 ) 。1 9 7 0 年，a r k i n s o n 发现挤压蒸煮 机可以使被挤压物形成新的组织结构0 v t a r k i n s o n , 1 9 7 0 ) ( 如组织化植物蛋白) ，开拓了挤压 2 蒸煮机在食品工程开发领域的道路。二十世纪八、九十年代，国外许多专家对挤压技术如何 影响物料成份作了大量深入的研究( n a r p i n d e rs m g h ，1 9 9 8 ：g s c h o u d h u r y , 1 9 9 8 ：r a l o n s o , 2 0 0 0 ) ，为挤压技术在食品领域的应用提供了理论基础。 挤出理论是建立在挤压蒸煮机械、物料的热性能和流变性能的基础上。8 0 年代以来 t a d m o r , k e n k , j a s s e n ，h a p e r 等为代表对食品挤出理论的贡献较人。尤其是j a s s e n 和h a p e r 两 位学者。j a s s e n 在1 9 7 1 年提出了挤压蒸煮机机筒在完全充满牛顿流体状态下的漏流模型，描 绘了挤压过程中各过程参数之间的关系，参照单螺杆的研究方法，得出了相互l 啮合双螺杆挤 压蒸煮机c 形腔的模型( j a s n ，1 9 8 6 ) 。j m h a p e r 先生明确了双螺杆挤压蒸煮机的加工特点， 深入分析了双螺杆挤压蒸煮机的结构特点，指出双螺杆挤压蒸煮机在食品加工中具有广阔的 应用前景，并从物料的流变性能出发对糊状段进行了数字仿真f j m h a p e r , 1 9 8 1 ；1 9 8 9 ) 。目前， 国外对糊状段的数学模型研究最为成功，计算机仿真的结果与实际相符。 j o h n s o n 等研究认为在高温和剪切环境条件下，淀粉链被部分打断，形成小分子的寡糖 ( j a 1 0 h n s o n 。1 9 7 7 ) 。w i l l a m s 等人研究了玉米粉在挤压过程中的变化，得出较高的挤压蒸煮 机模头温度和较低的物料含水率可以加大淀粉的降解程度f 高福成，1 9 9 7 ) 。而螺杆转速对淀粉 降解的影响则是双方面的，同时与模孔孔径的大小有很大关系，一方面，转速越高，剪切强 度越大，从而有利于淀粉的降解；另一方面，转速越高，物料在机筒内的受作用时间越少， 从而不利于降解。m e r c i e r 的研究则表明，挤压过程中淀粉虽产生了降解，但降解程度不大， 挤出物中没有可溶于酒精的碳水化合物，也就是说，淀粉降解之后的分子量也在2 0 0 0 以上( 高 福成。1 9 9 7 ) 。 c h i a n y 和j o h n s o n 对小麦粉，b h a t t a c h a r y a 和h a n n a 对糯性玉米粉及普通玉米粉的糊化 与挤压参数间的关系进行了研究，结果表明：挤压蒸煮物的糊化度随挤压蒸煮机模头温度和 喂料水分的提高而增大，随挤压蒸煮机螺杆转速的提高而下降( b y c h i a n y , 1 9 7 7 m b h a t t a c h a r y a ，m a h a n n a ，r e k a u f m a n ，1 9 8 6 ) m b h a t t a c h a r y a , m a h a n n a ( 1 9 8 6 ) ，l a m a r t i n e z ，k e k o n d u r y , j m h a r p e r ( 1 9 8 8 ) ，d j v a l l z u i l i c h e m ，t j a g e r ，w s t o l p ( 1 9 8 8 ) ，】m b o u v i c r ，g f a y a r d ，j m c l a y t o n ( 1 9 8 7 ) ，j t a y e b , b v e r g n e s 和g d a l l e ( 1 9 8 8 ) 等人对物料在机筒内的滞留时间f 简称r t d ) 以及挤压蒸煮机内 部流量和能量模型的建立进行了深入研究；s a r o b e r t s ，r c e g u y ( 1 9 8 6 ，1 9 8 7 ) 等人对挤 压蒸煮机操作中的不稳定性( i n s t a b i l i t i e s ) 进行了较为详细的分析。与此同时，m u k u n d v k a r w e ， y o g e s hj a l u d a ( 1 9 9 0 ) 采用数值法求解分析了挤压蒸煮机腔体内物料的r t d 分布；m u k u n d v k a n v e ，r a m a nvc h i n m e l l a ，y o g e s hj f l u f i a ( 1 9 9 5 ) ，c y n t h i ak a g e m u r a ，r j k a u t e n , k l m c c a r t h y ( 1 9 9 5 ) 和y l j ，e h s i e h ( 1 9 9 6 ) 等人对挤压蒸煮机腔体内物料的流动作了进一 步深入的研究( b w o f f g a n g ，e t e ，2 0 0 2 ：s t h y m i ，e t e ，2 0 0 5 ) 。 1 2 2 国内的研究动态 1 9 7 9 年北京食品研究所首先研制成功食品挤压蒸煮机，在国内掀起“挤压食品热”。1 9 8 6 年黑龙江商学院吴孟等发表了“谷物膨化技术的研究与应用”的论文。1 9 8 7 年北京农业工程大 3 学沈再春等研制了6 s l 0 5 4 1 8 型双螺杆挤压蒸煮机。无锡轻工业学院丁霄林等利用从法国引 进的b c - 4 5 型双螺杆挤压蒸煮杌指导学生在此领域进行深入研究，许多理论达到国际领先水 平。 北京化工大学塑料机械及塑料工程研究所陈存社、朱复华等利用可视化单螺杆挤出机的 透明视窗观察到淀粉挤出过程不同丁塑料等合成聚合物，淀粉的挤出没有明显的熔融过程， 淀粉挤出过程中发生大分子的降解等生化反应。原料含水率和螺杆转速是影响食品单螺杆挤 出机生产性能指标和挤出产品质量的一个重要工作参数。在木薯淀粉的挤出过程中，原料含 水量的减少与挤压蒸煮机螺杆转速的提高都使产量、产品膨化比、主机消耗功率增加，使物 料滞留时间缩短。单螺杆挤出过程中物料的机头压力在1 5 大气压至5 0 大气压范围内变化。 此试验挤压蒸煮木薯淀粉，最佳原料含水率在1 4 1 6 范围内，最佳螺杆转速9 0 r m i n 1 2 0 r m i n 范围内，机筒温度设定在1 2 0 1 4 0 范围内( 陈存社等，1 9 9 8 ) 。 北京化工人学何红借助了宏观和亚宏观可视化技术，描述了所观察到的聚合物挤山过程 中的团块熔融和粒子熔融现象，粒子的运动和熔融分为两个阶段：滑移阶段粘连阶段；同时 粒子会被拉长而发生变形。提出了粒子熔融的物理模型( 何红，2 0 0 0 ) 。 北京理工大学化工与环境学院胡冬冬，陈晋南使用p o l y f l o w 软件，对聚合物熔体在 啮合同向和异向双螺杆挤山机中挤出机中物料粒子的运动轨迹进行了可视化模拟，给出了运 动粒子的运动轨迹( 胡冬冬，2 0 0 3 ) 。 北京化工大学邢应生利川可视化挤出机对螺杆冷却情况下的单螺杆挤出熔融机理进行 了研究，认为挤出过程中固体床始终保持连续而不会出现固体床破碎现象，螺槽表面会出现 聚合物的亚稳态相转变行为并建立了相应的数学模型( 邢应生，2 0 0 4 ) 。 南京金陵职业大学的刘自强通过深入探析膨化动力的发生过程，膨化动力的影响因素和 外部能量向膨化动力转换的机理，全面阐述了膨化动力的发生机制。从动力学的角度提出了 膨化的定义，膨化的构成要素。同时系统地分析了在膨化过程中，物料的成份、比例和结构 的变化及其对膨化的影响( 刘自强，1 9 9 7 ) 。 王丽玮和冯玉红针对带胚玉米的研究也表明，挤压蒸煮物的糊化程度随挤压蒸煮机模头 温度的升高而增大，随螺杆转速的升高而下降，并认为这是由于挤压蒸煮机螺扦转速升高时， 物料在挤压蒸煮机腔体内停留时间减少而导致的( 王丽玮，1 9 9 8 ；冯玉红，2 0 0 0 ) 杨铭铎对谷物淀粉挤压蒸煮的糊化现象与蒸煮糊化等进行了对比，发现膨化手段实现的 糊化较蒸煮糊化更为彻底，而且稳定、不易老化。且挤压蒸煮实现的糊化比蒸煮糊化消耗的 总能量小( 杨铭铎，1 9 8 8 ) 。 无锡轻工业大学丁霄霖和汤坚对挤压蒸煮玉米淀粉进行了特性粘度、凝胶色谱、铁氰化 钾值的分析，结果表明挤压蒸煮后的玉米淀粉平均分子量下降，且淀粉降解主要发生在淀粉 的支链部分( 汤坚等，1 9 9 0 ；1 9 9 2 ；1 9 9 4 ) 。 东北农业大学肖志刚以挤压蒸煮后的玉米为研究对象。在膨化倍数、碘蓝值、a 一化度、 还原能力等指标上行对照试验，得出结论：玉米经过挤压蒸煮后，淀粉粒解体，糊精和还原 糖增加，蛋白质变性，氨基酸和缩氨酸含量增加，脂肪减少，水溶性成分增加( 肖志刚，2 0 0 1 ) 。 东北农业大学的孟爽在可剥分单螺杆挤压蒸煮机的基础上，研究了螺杆转速、机筒温度、 物料含水率、模孔长度和d 段长度五个因素对大米的糊化度、淀粉含量和脂肪含量的变化关 4 系( 孟爽，2 0 0 4 ) 。 1 3 课题的主要研究内容 本课题研究内容主要有以下5 部分： 1 在原有剥分式单螺杆挤压蒸煮机的基础上，进行结构创新，研制了可视化单螺杆挤压 蒸煮装置。 2 分别用玉米和大米为原料进行可视化试验，用摄像机进行实时、在线、连续的拍摄整 个过程，观察并分析物料在挤压蒸煮机内的变化规律。 3 在可视化试验的基础上，建立物料在挤压机内的输送模型：散粒体输送模型、柱塞体 输送模型和熔融体输送模型。 4 采用三因素五水平进行二次正交旋转组合试验设计，通过“急停挤压蒸煮机”后迅速将 挤压机机筒拆卸，进行分段取样分析，研究沿螺杆方向上大米还原糖含量的变化规律；同时 用r e d a 软件对试验数据进行图形分析，研究螺杆转速、机筒温度、物料含水率三个因素对 各段大米还原糖含量的影响规律。 5 采用三因素五水平进行二次正交旋转组合试验设计，用r e d a 软件对试验数据进行图 形分析，研究了螺杆转速、机筒温度、物料含水率三个因素对挤压蒸煮机功率、挤压蒸煮机 生产率、挤压蒸煮机模头压力和物料膨化度的影响规律。 1 4 课题的来源 本课题来源于以下项目： 1 山东理工大学基金项目( 2 0 0 4 k j z 0 5 ) ； 2 国家级火炬计划项目( 2 0 0 4 e b 0 2 0 0 4 2 ) ； 3 农业科技成果转化资金项目( 0 5 e f n 2 1 3 7 0 0 5 1 ) ； 4 山东理工大学创新研究团队支持计划资助项目。 5 2 可视化单螺杆挤压蒸煮机的研制 2 1 样机研制的目的和意义 由于挤压过程发生在密闭的高压、高压机筒中的物理化学过程，人们往往只知道其大致 的规律，而对其数学规律模型的分析，可以说始终是不尽人意。在这种情况下，科学家往往 将挤压过程称之为“黑箱( b l a c k b o x ) ”( 朱复华，2 0 0 1 ) 。 图2 - 1 挤压蒸煮机的黑箱模型 f i g 2 - 1b l a c kb o xm o d e lo fe x t r u d e r 为了打开这个“黑箱”，建立一个比较准确的挤出物理数学模型，依靠前面的试验机是远 远不够的。因为这些装备上无法直接地观察到物料地挤出过程，从而难以建立精确的物理数 学模型，也难以对计算的结果进行验证以证明研究结论的精确性。 大约在5 0 年代末，在欧美和日本，分别采用了静态观测可视化技术来研究挤出过程， 主要的主要装备有顶出螺杆法和剖分机筒法两类( 朱复华，2 0 0 4 ) 。 采用静态的可视化技术有几个明显的缺点：一是取样的时候必须要停车，会引起样本的 局部变形和破坏。二是骤冷和剖分法取样时总是需要一定的时问，此时看到的物态和停车时 的物料的状态会有一定的差别。三是这种方法只能看到重新凝固后的物态，无法看到动态的， 连续的、尤其是无法看到精细的物理过程。 从6 0 年代开始挤压工学界便开始借助动态可视化技术建立和完善挤出理论，所谓的动 态可视化，指的是在生产条件完全相同的工作条件下，连续、实时地观察物料的挤出过程有 关的技术与装备。因此，我们很有必要研制可视化挤压蒸煮机( 何红，2 0 0 4 ) 。 6 2 可视化单螺杆挤压蒸煮机的设计 机筒是挤压蒸煮机系统中的一个重要的零部件，它与螺杆一起共同完成对物料的输送， 挤压和剪切过程。可视化单螺杆挤压蒸煮机设计，主要是在保持其它部件，如螺杆、机架和 切断装置等不变的情况下，对机筒进行了改进设计。 2 2 1 机筒结构改进 机筒结构上的改迸主要有几下几个部分： 1 用锻件米取代铸件。挤压蒸煮g l g l 筒造型复杂，为了减少加二l 上的难度，挤压蒸煮 机的机筒多都是采用铸造而成。铸铁的塑性、韧性和抗疲劳性比钢要差很多。并且，由于砂 型铸造工艺和条件的限制，铸件中常有气孔和砂眼等缺陷。铸件虽可获得完整的外形，但力 学性能却严重受损，出现断裂、水道漏水等问题。 为了避免以上的不足，我们选用优质钢为材料，用锻件取代铸件。锻件的碳化物粒度更 细、孔隙度变小、密度增加、组织均匀化，从而提高机筒的性能和使用寿命。 2 采用分段式结构。为了更容易改变机筒的蚝度的可更换性、加工上的简易性，采用 了分段式机筒机构，前后两节均采用轴肩方式定位，每节用4 个m - 1 6 螺栓紧固连接。为了 配合挤压蒸煮机螺杆的结构，我们把机筒分为四节，分别命名为：第一节机筒、第二节机筒、 第三节机筒和第四节机筒。第一节机筒主要对应螺杆上物料的输送段，第二、第三节主要对 应螺杆上的压缩段，第四节则对应螺杆上的熔融段。 3 采用径向剥分式结构。为了能第一时间及时的打开机筒，观察物料在机筒内的分布， 以及快速取样，实验机采用了剥分式结构。机筒可剥分为左右对称两部分，称之为左半机筒， 右半机筒。左右两机筒通过键的配合来定位，用螺栓连接紧固。这样机简便分为：第一节机 筒( 左和右) 、第二节机筒( 左和右) 、第三节机筒( 左和右) 和第四节机筒( 2 e 和右) 组成， 如图2 1 所示。 4 加料口的形式。设计加料口的截面形状时时应考虑增强对物料的输送能力。从制造 加工角度考虑，我选用了对称与机筒轴线的方形加料口，如图”f a ) 所示。 5 机筒与模板的连接采用轴肩定位，用均布的四个m 1 4 螺栓紧固，保证了足够的强度， 如图2 - 1 所示 7 必 谨| 豇n 目o i 囝 f 勘6 - ，硷 i 心蜃辔侉参谚 囝 囝囝 f 1、r1 ljj ij 每每移移o 囝囝移移谚母 参囝 锫酽萨审 目 1 一模扳2 一第四节机筒( 左和右) ，一第三节机筒( 左和右) 4 一第二节机筒( 左和右) 卜第一节机筒( 左和右) 图2 2 可视化单螺杆挤压蒸煮机机筒结构简图 f i g 2 - 2t h eb a r r e lo fv i s u a l i z a t i o ne x t r u d e r 2 2 2 机筒内部结构设计 由于大部分物料在蒸煮的粘度特性，物料在挤压过程输送过程中会出现滑移，因此，在 机筒壁上要设计成沟槽状，目的是增加机筒壁的表面粗糙度和增加物料的输送能力。这些沟 槽主要有两种形式，直槽和螺旋槽。 ( a ) 第一节机筒( 直槽) 第= 、三节机筒( 圆柱形螺旋槽) ( c ) 第四节机筒( 圆锥形螺旋槽) 图2 - 3 挤压蒸煮机内壁结构图 f i g 2 - 3t h ei n w a l ls t r u c t u r a lr e p r e s e n t a t i o no fe x t r u d e r 8 根据农产品物料的特性，我们在第一节机筒( 挤压蒸煮机的输送段) 的内表面开了7 8 个矩形直槽( 陈世煌，2 0 0 5 ) ，如图2 - 3 ( a ) 所示。开直槽的目的就是增加物料的输送能力。 德国的i k v 和b a s f 研究发现，当在机筒内壁上全部开槽时，机筒的摩擦因素几乎增加4 5 倍( 朱复华，2 0 0 1 ) 。机简的其余的部分，第二、三、四节机筒开螺旋槽，旋向为左旋，旋 向和螺杆一致，以保证物料能顺利向前输送，如图2 - 3 ( b ) 和( c ) 所示。螺旋槽不仅能增 加物料的输送能力，还能增大物料在挤压过程中的剪切力，加速物料在挤压蒸煮机内的熔融 ( 何红，2 0 0 5 ) 。第四节机筒我们设计成锥形结构，如图2 0 ( c ) ，锥形结构能增大压缩比， 有助于增大机筒压力，保证在挤压蒸煮过程能使得物料顺利达到熔融态( 朱复华，2 0 0 1 ) 。 2 2 3 可视化机筒设计 所谓的的可视化机筒就是在机筒侧面在沿着挤出方向开若干个视窗，通过视窗能够连 续、实时、在线地观察到物料的挤出过程中所发生的一些列变化。 参考朱复华的塑料可视化单螺杆挤出机的基础后( 朱复华，2 0 0 1 ) ，在第二，三、四节 右半机简上开了三个视窗，这样在不用可视化的时候能够将视窗堵上，达到一机两用的目的。 为了能更清楚地观察物料在机筒内各处的变化，在保证强度足够的前提下，应尽可能增加视 窗尺寸大小。经过强度校核，最后确定第二、三、四节视窗的长度分别为：1 4 5 m m x 4 4 m m 、 1 4 5 m m x 4 4 m m 、1 5 5 m m x 4 4 m m 。视窗里面采用台阶支撑，外面采用压板固定，其结构牢同性 能良好，如图2 4 所示。 u 啊研 (】 删心心叫 几 几厂 j oou 。7 n 】m l n 缓l 叩f f 址圳 l 厂 ( a ) 第二三节可视化机筒第四节可视化机筒 图2 - 4 可视化机筒示意图 f i g 2 - 4t h eb a r r e lo f v i s u l i z a t i o ne x t r u d e r 9 2 2 4 机筒视窗玻璃设计 要观察物料在挤压蒸煮机内运动变化情况，需要在视窗上安装透明度高、耐高温、耐高 压的玻璃。玻璃与机筒金属部分不能直接接触，容易造成应力集中，玻璃的脆性大，很容易 碰碎，必须垫上石棉网，石棉网能起着缓冲和减振作用。玻璃的外边用开有视窗的压板压住， 螺栓固定，以便能把玻璃固定机筒中。 由于玻璃结构的复杂性，玻璃加工工艺上的局限性，普通的玻璃加工设备加工不了该形 状的玻璃。我们自己设计模具，采用浇铸的方法加工出了视窗玻璃，玻璃的尺寸为：长宽 高= 1 4 4 m m x 4 0 m m x 4 3 5 r a m 。玻璃的形状，如图2 _ 5 所示。 图2 - 5 视窗玻璃示意图 f i g 2 - 5t h eg l a s sw i n d o wo fe x t r u d e r 1 机筒2 加热孔3 - 力热棒 图2 - 6 加热示意图 f i g 2 - 6h e a t i n gs t r u c t r u e 可视化单螺杆挤压蒸煮机的研制 2 2 5 机筒加热装置设计 2 2 5 1 加热方式的选择 物科的挤压蒸煮通常都是在特定的温度下进行的，这就需要对机简进行预加热，以便达 到需要的温度。我们在不同的机筒上安排了不同的加热区，每个区进行独立控制，以保持全 机筒温度曲线的灵活性。 挤压蒸煮机机筒的加热方式采用了电加热。电加热是最为常见的电加热的电阻加热器为 电阻加热器。电加热优点有：成本低，维修容易，安全风险低，温度范围宽，容易控制，效 率高，所要求的结构空间小，容易进行能量控制和污染小铸( 何红，2 0 0 5 ) 。为了达到良好 的热传递，延长使用寿命，我们采用了电加热中最为方便的加热棒，中间添上热电阻材料加 热。加热棒必须与机简要有良好的接触。通常采用夹紧或弹簧元件将加热器固定在机筒上。 加热结构如图2 - 6 所示 2 2 5 2 加热功率的确定 设计机筒的加热功率，首先要了解物料熔融的原理和熔融能量平衡的原理。物料的熔融 就是对物料施加热能使之达到熔融状态，以便从挤压蒸煮机模孔中挤出，这个过程需要吸收 大量的热能，所需热能根据物料的特性而定。不同的物料所需的热能差异很大。物料熔融所 需热能一部分来自螺杆剪切和