98-99-182.pdf

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1、干挤压机与湿挤压机 DRY EXTRUDER VS. WET EXTRUDER 谢富弘 博士 美国密苏里大学生物与农业工程学院 前 言 挤压设备可以按热力学或机内压力形成方式加以分类（Rossen and Miller，1973） 。按热力学分类有： （1）自热挤压机（autogenous extruder） ，在作业过程中将机械能转变成热能； （2）等温挤压机（isotherma1 extruder） ，机内保持恒定温度； （3）多热源挤压机（polytropic extruder） ，其运转介乎于（1）与（2）的极端状态之间。按机内压力形成方式分类有： （1）直接或正压移动型（positi

2、ve displacement type） ，包括撞杆（或活塞）型挤压机，啮合相对旋转双螺杆挤压机；（2）间接或粘滞牵引型（viscous drag type） ，包括辊筒挤压机，单螺杆挤压机，啮合同向旋转双螺杆挤压机和非啮合多螺杆挤压机。近来还采用另一种不大正式的分类法,即分为干挤压机和湿挤压机。干挤压机意思是靠摩擦生热作为对制品进行熟化和脱水的唯一热源；湿挤压机需要将原料进行预调制，注入蒸汽，挤压产物还需要烘干（Said，1995） 。可见，干挤压机实质上是一种自热挤压机，对原料不进行预调制而是直接进行挤压加工；而湿挤压机是一种多热源挤压机。 挤压设备的一般描述 干挤压机 无论是干挤压机或

3、是湿挤压机， 都是由这几个部件组成： 动力设备， 喂料装置，螺杆，机镗，模头装置，切刀和出货系统。干挤压机因靠摩擦生热，机镗通常不加套筒。苛奈挤压机（collet extruder）代表一类特用挤压机，用于将低水分脱胚玉米或其他谷渣进行熟化和膨化，使之变成叫作苛奈（collets）的碎粒（Harper，1981） 。这种挤压机的螺杆很短（L/D31，即长度/直径，下同，坡斜度约 6，螺杆转速约 300rpm（转/分钟，下同） ，因而螺杆及螺杆与机镗之间空隙的剪切率都很高。全部能量投入都来自机械能的消散。这种挤压机要用经过特殊淬火 182 处理的螺杆和机镗衬垫装配，以保证有较长的使用期，降低维修

4、费用。多数情况下，制造厂家都能做到在这些部件磨损后进行修补。 已经研制出一些非常简单的自热型或干挤压机， 可以尽量少用辅助加工设备而对全脂整粒大豆进行热处理。其全部热量投入也是来自大的驱动马达的能量转化。这类挤压机没有机镗套筒和预调制箱，因在干燥状态下进行挤压，挤压过程会产生热量。所有机器的构型都让操作者便于进行调节，使挤压温度符合配料配方改变的需要。以 Trip1e F（Des Moines，IA）制造的 InstaPro 系列挤压机为例（应当说明，有的型号仍提供可选择使用的预调制箱） ，示于图 1。机镗和螺杆都是由部件组成。铸造的螺杆沿中心轴滑动，螺杆之间是大小可变的蒸汽闸或环，其作用是在

5、螺杆全长上扼流。机镗有一些纵向肋条，还有内设的可更换的加固圈，靠这些措施降低维修费用。 Insta-Pro 挤压机有若干型号。 600 型的产量是 272-365 kg/hr （公斤/小时， 下同） ，即 600800 1b/hr， 马达功率是 37.3kw （千瓦， 下同） 。 2000R 型产量是 590910kg/hr（13002000 1b/hr） ， 动力 56kw （75hp， 即马力） 。 2500 型产量 9001350kg/hr (20003000 1b/hr） ，动力 94kw（125hp） 。所有型号的转速都是 540 rpm，配有容积喂料器，有给水系统用以调整产品含水量

6、，还有一套多样压模和切割装置。 另一种干挤压机是 Brady 挤压机， 是 Koehring Farm Division （Appleton， WI）制造的（Harper，1981） 。螺杆是用空心管制成，空心管直径 11.4cm，长 86.4cm。螺旋弹簧式螺片盘绕在空心管上焊接固定。螺杆的螺旋线角都一样，约为 5，螺片高度 0.8cm。为扼制螺杆料流，在靠近出料口搅打锭部位的螺片之间焊接几个挡料圈。 为控制挤压温度， 在螺杆出料口装有一个平头圆锥形元件， 与一个叫做盅 （cup）的固定元件相匹配，螺杆运转时可以纵向移动以调整这些零部件之间的空隙。这种挤压机的转速可以是 540rpm，也可以

7、是 1000rpm，物料流量是 550kg/hr，驱动功率是 75kw。如同投入高机械能的挤压机一样，部件磨损是比较重的。图 2 表示了 Brady 挤压机螺杆和机镗的几项设计，在出料口设有可调环状口。 183 图 1 Insta-Pro 2000R 干挤压机 图 2 Brady 干挤压机设计 184 湿（或 HTST）挤压熟化机 湿加工的或叫 HTST（high temperature，short time，意思是高温短时）挤压熟化机可以分为两个主要类别，即单螺杆熟化挤压机和双螺杆熟化挤压机。后者又进一步分为同向旋转双螺杆挤压机和相对旋转双螺杆挤压机。由于供应各种类型熟化挤压机的厂家很多，即

8、使是同一类型熟化挤压机，在机械组合和运转特性方面也可能很不相同。目前上市的各种湿（或 HTST）挤压机及其规格列入附录（Anon.，1998)。 无论是交流或是直流电动机， 都可用来驱动挤压机机镗内的螺杆。 电动机可以小到实验室挤压机的几个马力，也可大到大规模生产挤压食品用的几百马力。大多数挤压机的电动机都有一个传动和变速装置，可用来调控螺杆转速。螺杆将物料向压模方向推进，压力可达几百个大气压，因此必须有一个止推轴承，以支持螺杆使之保持在中轴线上运转，并吸收螺杆产生的推力。 喂料装置由干料喂料器和液体喂料器组成。事先拌匀的干料存于喂料器上方的料斗或料仓内。喂料器可以是振动喂料器、变速绞龙或减重

9、喂料器。液体配料通过正压排出泵、可变注孔和可变头或水轮进行计量。如采用预调制处理，则在一个封闭容器中将干料与水、蒸汽或其他配料混合，必要时可在加压条件下操作。均匀地喂入干料和液体配料是挤压机进行恒定作业的必要保证。 螺杆可以是整件的， 也可以由许多元件在一个轴杆上装配而成。 单螺杆挤压机的螺杆分为喂料区 （feed section） 、 过渡区 （transition section） 和计量区 （metering section） 。喂料区的螺片较深，从喂料器接纳配料。在过渡区将配料混合、加热，使物料连贯一体。因此，过渡区也叫压缩区，物料从松散的粉状变成塑性面团似的物体。完成这个过程靠的是沿

10、出料方向逐渐降低螺片深度或螺距，并从机镗给物料加热，物料在运动中也摩擦生热。计量区的螺片变浅，剪切力增大，使物料在这区段迅速升温。图 3 表示了如何变换螺杆和机镗而起到压缩作用的（Harper，1981） 。这些不同的设计在干挤压机和湿挤压机上都可采用。例如，一种 Anderson湿挤压机采用图中的第 2 种螺杆设计， 而 InstaPro 干挤压机采用了第 5 种螺杆设计。 双螺杆挤压机按螺杆旋转方向分为同向旋转和相对旋转， 按螺旋啮合深度分为全啮合、部分啮合和非啮合（Harper，1989；Fichtali and van de Voort，1989） 。图4 有全啮合相对旋转和同向旋转螺

11、杆的示意图（Harper，1989） 。 185 全啮合双螺杆的螺片深度与两个螺杆搭接的距离相等。螺杆设计还有单道（sing1e 1ead） 、 双道 （twin 1ead)和三道 （trip1e 1ead)之分，指的是沿螺杆全长平行排列的螺片数。为了加强混合，增进机械能向热能转化，通常采用另一种螺杆设计，即揉合圆盘（kneading disks） 。 干挤压机和湿挤压机的机镗与螺杆之间都是很严密的，用螺栓或夹具将几个部件锁装在一起。挤压机规格的一个重要参数是 LD 比率，就是挤压机机镗长度除以机镗内径。机镗，特别是机镗衬里，通常都用特殊的坚硬合金制造，以耐磨损。机镗的内壁可以是平滑的，也可以

12、刻槽，沟槽可增强挤压机的压送能力。 干挤压机和湿挤压机的模头装置也都相似。模头装在机镗末端，模板固定其上，有时还作为切刀的支撑。模板上可以安装多个压模，物料从挤压机排出时靠压模成形。压模是一些细小开口，可以是圆形、环形、裂缝或特别设计的形状，如字母形或动物形，等等。 切割这种又热又粘的物料并非易事。挤压机模具通常使用的切刀有三种：一种是 图 3 螺杆和机镗的压缩方式设计 高速转刀，装在挤压机压模面板的中央位置；第二种是飞刀，其旋转轴线处于机镗纵轴线侧面，这比装在中央的转刀有更高的行刀速度通过物料；第三种用于切段较长或慢速挤压的场合，即截断机切刀（Harper，1981） 。 通常在操作开始之前

13、就调整好切刀与压模面板。刀片常以机器螺栓固定在旋转的切割部件上，刀片位置可以个别调整。有的切刀设计让切头在机器运转时可以相对于模面移动。另外，有些刀具采用灵活的弹簧钢质刀片，刀片贴在模面上 186 保持接触。 图 4 双螺杆挤压机分类 挤压熟化的操作方法 在开始进行干挤压熟化或 HTST 挤压熟化加工之前， 必须首先将挤压机及有关设备装配妥当。调紧所有的紧固件，将所有部件校直找平。如有关于扣环螺栓转距的详细说明，应当用手螺距扳头严格按说明调整。机镗和螺杆装配之后，应当用手转动螺杆确认能运动自如。然后将模板及其模具用螺栓固定在挤压机机镗末端，装上旋转切刀，将刀片调节到能够利落地切出成品，同时还要

14、注意延长刀片使用期。然后按要求给机镗接上水和蒸汽通路。蒸汽通路上的凝结水必须清除。检查所有的喂料器和调整器。如果干料喂送使用的是容积式喂料器，应当事先计算好每批饲料的原材料喂入量。 图 5 所示是典型的 Werner & Pf1eiderer 挤压熟化系统。 为了尽量减少起动阶段的浪费，要让熟化挤压机尽快进入作业条件和平衡状态。将机镗和模板预热到所要求的作业温度可达此目的。然后将水泵按作业速度 187 1.5 倍的速度起动，水一进入机镗即慢速起动挤压机和喂料物流。令螺杆和喂料加速，同时逐渐将水流速度降到作业水平。当机镗和压模达到稳定的作业温度时，调节水流速度、喂料速度和螺杆转速，使之能在中度扭

15、矩水平（电机负载的 90%或更低）生产制品。 图 5 Werner & Pfleiderer 双螺杆挤压系统 与起动操作一样，HTST 熟化挤压机的停车操作也必须依次进行。首先逐渐提高水流速度，让未熟化的物料将已熟化物料赶出机外。令机镗温度降下来以停止熟化反应，这样可以防止停机后烧焦。在百分率负载计的读数低于 25%时，降低螺杆转速，关掉挤压机，并关掉喂料器水泵，然后逐步仔细地卸下模板，松开螺栓，因模板后面可能仍有一定的压力（Hsieh 1991） 。 （刘瑞征 翻译） 188 参考文献 Anon.1998.Extruder Directory. Feed Tech.2（2） ：32-39.

16、Fichtali， J.and van de Voort， F.R. 1989. Fundamental and practical aspects of twin screw extrusion. CereaI Foods World，34(11):921. Harper，J.M. 1981. Extrusion of foods， Vo1.I &II， CRC Press， Boca Raton , FL. Harper, J . M . 1989 . Food extruders and their applications. In: Extrusion Cooking , C. Mer

17、cier, P. Linko and J. M. Harper, Eds. , AACC, St. Paul,MN . Hsieh. F. 1991. Extrusion and extrusion cooking. In: Encyclopedia of Food Science and Technology, PP. 794-800, Y. H. Hui, Ed. , Wiley-Interscience , New York,NY. Rossen, J . L . and Miller, R . C . 1973 . Food extrusion. Food Technol. , 27(8):46. Said, N. W. 1995. Feed extrusion. Insta-Pro international, a Division of Triple “F” , Des Moines, IA. 189