挤压技术的原理和特点

1、实习报告通过将近三周的实习和搜集资料，使我对自己所做的毕业课题一一挤压机有 了初步的了解认识。在搜集资料的过程中深入了解了挤压机的基本原理和工作性 能、结构以及挤压机发展历史，为我以后的总体设计打下了坚实的基础。一、挤压技术的原理和特点1、原理挤压技术是通过水分、热量、机械剪切、压力等综合作用，使物料在高温高 压状态突然释放到常温常压状态，也是物料内部结构和性质发生变化的过程。当 含有一定水分的物料在挤压机螺旋的推动力下被压缩，受到混合、搅拌、摩擦及高剪切力作用，使淀粉粒解体，同时机腔内温度和压力升高（温度可达150c200C ,压力可达到1MPa以上），然后从一定形状的模孔瞬间挤出。由于高温

2、高 压突然降至常温常压，其中游离水分在此压下急骤汽化，水的体积可膨胀大约 2000倍，膨化瞬间，谷物结构发生了变化，它使淀粉转化成熟淀粉（a-淀粉转化为 B-淀粉），同时变成片层状疏松的海绵体，谷物体积膨大几倍到十几倍2、特点a.应用范围广挤压技术既可用于加工各种膨化食品和强化食品，又可用于各种原料如豆类、 谷类、薯类的加工，还可以用于加工蔬菜及某些动物蛋白。挤压技术除广泛应用 于食品加工外，在饲料、酿造、医药、建筑等方向也广为应用。b.生产效率高、成本低。挤压设备连续工作能力强、生产效率高，如国外大型双 螺旋挤压机每小时生产能力达数十吨，且操作简便、生产成本低，与传统蒸煮法相 比有着明显的优

3、势。c.有利于粗粮细作。许多粗粮中富含矿物质、维生素及人体必需的氨基酸等营 养成分，符合人体营养需要。但是，粗粮往往因口感粗糙而受到人们的冷落。粗粮 经挤压膨化处理后，能改变物料的组织结构、密度和复水性，使产品质地变软，改善 了 口感和风味。d.可生产多类产品。由于挤压设备简单，所以只需改变原料和模具头，就可生产 出品种多类、形状各异的产品。e.物料浪费少，产品无废品。使用挤压设备生产产品时，除开机、停机时需少量 原料作“引子”外，整个生产过程几乎无废弃物排出，不存在浪费原料和出废品现 象。f.营养损失少，易消化吸收。物料被挤压过程37中由于受热时间短，营养成分破 坏程度小，蒸煮挤压时，淀粉蛋

4、白质脂肪等大分子物质的分子结构均不同程度发生 降解，呈多孔疏松质结构，有利于人体消化和吸收。g.有利于长期储藏。经蒸煮挤压后的食品不易“回生”，有利于长期储藏。二、挤压设备的种类挤压设备的种类很多，按其螺旋数量分类，可分为单螺旋挤压机和双螺旋挤压机 按挤压机功能和特点分类，可分为高剪切蒸煮挤压机、低剪切蒸煮挤压机、高压 成型挤压机、通心粉挤压机、玉米膨化果挤压机等 ；按挤压机热力学特性分类，又 可分为自热式挤压机、等温式挤压机、多变式挤压机。挤压加工过程如图1所示。挤压机通常借助在机筒旋围1 物料挤压过程示意图1-加料幡送St 2-压端后亚氏均化存转的螺杆完成对食品原料的各种挤压加工。 当疏松

5、的食品原料从加料斗进入机筒 时!沿着螺槽方向向前输送称为加料输送段。由于受到机头的阻力作用，固体物 料逐渐被压实，同时因为物料在螺杆与机筒间的强烈搅拌、 混合剪切作用。加上 机筒外部加热，使物料升温并开始熔融，直至全部熔融称为压缩熔融段。 随着螺 槽逐渐变浅继续升温升压，食品物料得到蒸煮，出现淀粉糊化。脂肪和蛋白质变 性等生化反应。组织进一步均化。最后定量定压地由机头通道均匀挤出， 称为计 量均化段。只要更换机头模具的不同孔眼形状就可获取多种成型的食品，例如： 通心粉面条、小甜饼干等。对于大多数食品挤压过程而言，食品物料从机筒内被 挤压出模头的瞬间，压力突然降低过热的食品物料中的水分急剧汽化喷

6、射出来， 导致食品内部爆裂出许多微孔，体积立即膨胀若干倍成为膨化食品。 这是经炊煮 并膨化的食品，它使生淀粉完全地膨化，不会再出现一般蒸煮加热糊化的“回生 问题”。三、挤压成型与挤压膨化的差异无论是食品的挤压成型还是挤压膨化，在挤压机的总体结构上并没有特别大的 差异。其差别主要在于它们各自的技术参数。 挤压膨化时，机筒内应达到更高的 压力和温度，而挤压成型的操作温度较低，应使挤压物料不发生膨化。一般不超 过100度。例如：对于小粒子食品挤压成型加工的试验表明， 到达机头前的物料温度约为98度，而干面包片挤压膨化加工中，到达机头前物料的温度高达180度。高压在经过模头时瞬间释放，同时约有 9%的

7、含水量以蒸汽形式蒸发掉，产 品因膨胀降低了密度。四、单、双螺杆的性能差异单、双螺杆挤压机目前在食品的挤压加工中都有应用。但它们的性能有较大的区别，在单螺杆挤压机中，物料基本上紧密围绕在螺杆的周围形成连续带状物料。 因此，当物料与螺杆的摩擦力大于机筒与物料的摩擦力时， 物料将与螺杆一起旋 转造成物料的输送中断在模头附近。由于高温高压的存在，反压力还易使物料逆 流而且物料的水分、油分越高这种趋势就越显著。为避免这些问题，可采取一些 措施，如：增加螺杆的头数一以增加螺杆旋转一转中螺旋齿板对物料的拨动次数， 提高对物料的推送性能。在物料方面采取的措施是降低其水分及油分以减少物料 与机筒内璧的润滑作用。

8、降低螺杆转速一以减小螺杆对物料的切向力。以上措施可以部分改善单螺杆挤压机的性能， 但受到实际应用中的一些限制。对于双螺杆 挤压机而言，由于在 U形开口处总有另一螺杆的螺旋齿板旋转着，通常起到了 挡板的作用，因此物料不会出现共转。这样，双螺杆挤压机可将内璧做成光滑的 表面避免不必要的摩擦，降低运转所耗能量。同时，可把螺杆与机筒的间隙做成 最小，减少物料沿间隙逆向漏流。即使对高水分、高油分的食品物料也能适用。 五、挤压系统及主要工作元件的技术性能挤压机的螺杆、机筒、机头、成型口模等零部件，共同构成挤压机的挤压系 统，又称机膛。挤压机对物料的挤压膨化处理，就是在这里最终完成的。它是决 定挤压机技术性

9、能的重要组成部分。在加工过程中，物料在此经历着温度、压力、 状态的变化。当机膛内的物料，最后经过机头模板，被挤出机外的瞬间，熔融状 态的物料，旋即由原来的高温降为常温，由高泄压为常压。从而实现了物料的挤 压膨化及成型加工的要求。物料这一加工过程，应是连续地相对稳定地进行。 所 以，挤压机是高温、高压运行机械，而它的机筒，可以看做是厚壁容器。1、挤压机机筒机筒是构成机膛的主要部件。按长度尺寸的差异，分整体式和分段式机筒；按径向结构的差异分单一机筒和组合机筒。 机筒由同一种材料构成的，称单一机 筒；机筒由两种不同材料构成的，称组合机筒。组合机筒的外套，常用球黑铸铁 或铸钢制造，再在它的内壁，镶一个

10、耐磨的合金钢衬套。为了提高机膛进料段固 体物料的输送率，从理论上讲，可在与进料段对应机筒内壁，开设若干个纵向直槽。而在实际设计工作中，考虑到各段衬套互 换使用，还是把机筒各段的内壁都开设相同的纵向直槽。 直槽的数量，取决于螺杆直径的大小。直槽的深度要适当。太浅，达不到提高固体物料的输送率的目的； 太深，会出现部分膨化度较差的物料，夹杂在膨化料之中的现象。在机筒的结构 设计中，还要考虑机筒二端与有关零部件的联接问题。当前，较常见的有法兰盘联接及卡箍联接等方式。由于卡箍联接比法兰盘联接，所用的螺栓少，每付卡箍 只有两个螺栓，而且安装、定位迅速，装拆方便，深受操作者的欢迎2、螺杆工作的基本原理和技术

11、性能挤压机的功能、效率和产量，在很大程度上取决于螺杆及其螺套的设计 ，因为, 它们将决定加工原料在挤压机内的流动行程。螺杆是挤压机最重要的工作部件，其构型和结构，不仅决定挤压料熟化作用和糊化作用的程度，而且还决定最终成品 的构质特性。加工原料在挤压机内的流动状态模式，在很大程度上影响上述作用的能力。螺杆的作用能力，又决定于螺杆的设计参数，也决定于螺杆的几何形状特 征参数（或称为构型参数）和结构参数，其中包括：螺槽深度、螺槽宽度、螺纹界面 轴向宽度、螺纹节距、螺纹螺旋角、螺纹侧面前向角、螺纹侧面背向角和螺纹直 径，以及螺纹头数和螺槽数（螺杆长度）（参见图1）。这些参数构成螺杆具有挤压熟 化作用，

12、具作用的程度，取决于多种因素的综合影响，其中包括：摩擦作用、剪切作 用、压力、螺杆与挤压料的接触面面积，以及流动湍流度等因素的影响。这中间 任一因素影响的图1螺杆设计参数图1 螺杆调讨参数L-螺杆长度；D-螺杆直径；h-螺槽7度；3 -螺槽宽度e-螺纹界面轴向宽度；6-螺杆与螺套的-螺纹螺旋角；丫 -螺纹侧面前向角；0-螺纹侧面背向角t-螺纹节距；Qd-粘性流向；Qp-逆流向；Ql-渗漏流向增大，都将会增大挤压螺杆的熟化作用。同时，增大挤压螺杆的熟化作用可采用不 同的方法例如，增加螺槽数（螺杆长度）和减小螺纹节距，会增大螺杆与挤压料接触 面面积。同时,采用断螺纹构型螺杆，会增大湍流和渗漏流，从

13、而，将会产生较大的摩 擦作用。另外，螺槽深度变浅，也会产生较大的摩擦作用。影响挤压熟化作用程度的另一个要素是螺杆压缩比。螺杆压缩比的定义是 ：螺杆每旋转一周，进料端起始 螺纹的螺槽被展开的容积与卸料端终止螺纹被展开的容积之比。螺杆压缩比最常用的数值为:1.5 ： 15 ： 1。螺杆压缩比将会影响糊化作用的强度和效果。例如 , 螺杆压缩比数值由1.5 ： 1增大到3 ： 1,挤压玉米粉的糊化作用稍有增大；挤压高 粱粉熟化糊料的粘度减小。另外，在挤压料区位至卸料区位呈现连续流动的行程 上，还可采用剪切阻流件来调节挤压料的流动状态模式和熟化程度。多段螺杆组 件的挤压机，通常配用剪切阻流件，以利于不同

14、挤压区段保持各自的工作温度和压 力。剪切阻流件的直径，将决定螺杆与螺套之间缝隙的大小。若剪切阻流件的直 径变大，则将减小该间隙，从而，将形成高剪切作用的区段。显而易见，螺杆之所以能 够在挤压机内具有重要作用，是在于它可产生所需的压力，当然，这必须是螺杆在 承载物料的情况下才可能产生。在此，需要着重指出的是：大多数的挤压机，尤其是 双螺杆挤压机，其螺杆全长不是在完全装满挤压料的情下工作，这类似于螺旋输送 机。在生产过程中，若“突然彳机”，随即取出螺杆，或者打开和卸下螺套，就可看到 挤压螺杆未完全充满物料，只有在螺杆的部分长度上完全充满物料。可见，确定螺 杆的满载长度，对于设计、分析和控制挤压作用

15、过程，具有十分重要的作用。这个 理由很简单，因为，只有螺杆的满载区位才会产生很大的压力。 因此,很显然，螺杆必 须有满载区位，因为只有这样，螺杆才有可能将挤压料强制推动通过模头的模孔。 螺杆在未完全装载的区位内，主要起着螺旋运送挤压料的作用，但需要消耗相当功 率。不过，螺杆在满载之前的区位内，几乎没有粘性能耗。鉴于挤压过程的一个主 要目的是传递功，所以，螺杆就必须具有一定的满载长度才能实现这个目的。事实 上,在螺杆最终达到满载之前的区位内，挤压与螺套壁之间的热传导甚少，从而，这 些区位内的热力传递很小。因此，在螺杆未完全满载的区位内，热量输入挤压料的 传递作用，或者，热量由挤压料输出的传递作用

16、，将是相当地不充分。在这些区位内， 如何提高热传递作用，将在后面讨论螺套技术性能时再作简述。挤压螺杆的构型 组成一旦选定，接下来就要使挤压机的输出功、挤压料流动、压力产生和热力传 递相互之间形成恰当的平衡。综上所述，螺杆的满载长度显然是与压力产生密切 相关的。3、螺套工作的基本原理螺套是挤压机的另一个核心工作部件，对于挤压熟化作用有重要影响。围包在 螺杆外面的螺套，可制成整体结构，但多半为分段剖分结构。螺套的内表面，通常加 工成凹槽形状，具凹槽一般有两种形式，直线型凹槽和螺线型凹槽（见图2）。直线型 凹槽所起的作用，是在增强挤压料渗漏流和减少挤压料沿螺套壁滑动的同时，使挤压料在顺沿运送方向上产

17、生摩擦作用。而螺线型凹槽，则将产生更多顺流和较小 的机械摩擦作用。螺套上还配装固定的挡料销件 ，安装成凸伸在螺杆的螺槽之中，藉以增大湍流，以利于熟化作用。螺线型凹槽（纵向螺线凹槽）螺套,更多地应用于 单螺杆挤压机，它是单螺杆挤压机高效作业所必须的工件。因为，单螺杆挤压机，必须具有能使物料粘滞压送且不在螺套壁面滑动的能力。在邻近转动螺杆的螺套壁面存在，螺线凹槽，则会有助挤压物料沾滞而流动。圃N 爆套内表面凹槽型式螺套技术性能上的一个重要问题，是如何提高挤压机的热传递作用。在前面讨论 螺杆技术性能时已经提出：在螺杆未满载的区位内，热量输入挤压料的传递作用， 或者，热量由挤压料输出的传递作用，将是相

18、当地不充分。为了解决这个问题，这些 区位上的螺套，通常配置挤压机的热传递功效蒸汽喷射装置，藉以提高。蒸汽喷射加热是高效和经济的传热过程。挤压机工作配用这种传热方式，可使挤压料流的温度在短运送距离区位内剧升。而相比之下，想使挤压料温度取得类似 的增量，如果只借助于挤压机的机械能输入，这时，则很可能会处于极为不利的情 况，即增大转速，而机械的工作却无法达到；或者,增大设备长度，继而导致成本太 高。生产实践业已证实，蒸汽喷射加热确实是个很好的技术措施，它可大幅度地提 高挤压机的产量，而几乎不增加设备成本。另外，螺套配置蒸汽排放，能有效地冷却 挤压料而不过度受热，这可能也是一项有用的技术措施。通常，采

19、用这种技术措施 的主要目的，是为了将熟化后的料温降低到足以使加工料在非爆胀条件下进行挤 压。挤压机部分区位在高于水分沸点的工作条件下，尽管可以迅速熟化挤压料，但 是，因为挤压机散失热量速率相当低，所以，挤压机螺套有可能不足以被冷却到可 生产出非爆胀的熟化成品。对于大直径的挤压机而言，尤其是如此。生产非爆胀的熟化成品时，例如，生产沉性的水产饲料，螺套配置蒸汽排放可能是个可行的方 法。蒸汽喷射加热和蒸汽排放冷却，其相关的作用机理密切，所以，在此同时进行研 讨。这两种传热过程，在利用热含量（始）大幅度变化的同时，伴随着蒸汽转变成液 态水,或者反过来，伴随着液态水转变成蒸汽。蒸汽冷凝而增加少量水分，或者，水分 蒸发而除去少量水分，都会使挤压料的湿热含量（温度）产生大的变化。这样，利用 物料相态变化的作用，就有可能提高挤压机工作的传热效率。大学四年即将过去，我们迎来了最后的考验一一毕业设计。尽管在这之前每 学期末也做过一些课业设计，但是它终究不是系统化的设计，而且设计的也仅仅 是一个课题里的很小的一部分。现在开始要独立完成一整套的设计了心里难免有 些茫然，于是开学初我们在老师的指导下开始