干法膨化机物料温升计算模型分析
2012-06-08黄灿军
黄灿军
(广东水利电力职业技术学院,广东 广州 510635)
膨化技术在饲料工业中应用越来越广泛,发展速度越来越快。膨化技术按调质方法可分为干法膨化和湿法膨化两种,湿法膨化物料需先加蒸汽进行调质,而干法膨化只需根据物料特性加适量水即可[1]。
干法膨化以操作和结构简单、成本低、能耗低等特点而被国内饲料厂普遍采用[2]。因此研究膨化机内的功热转换机理,确切地了解物料温升与饲料物性参数、膨化机几何尺寸等因素之间的关系,对干法膨化机的设计和应用具有重要意义。
1 单螺杆干法膨化机工作原理
图1是单螺杆干法膨化机螺杆示意图。
图1 料筒、螺杆结构
由于干法膨化机加工物料的松密度通常较小,要使物料在口模处被挤出时有足够大的膨化压力,干法膨化机的螺杆必须设计成较大的压缩比,使物料在膨化机内不断被压实。因此干法膨化机的螺杆在设计上采用螺距逐渐减小、槽深逐渐变浅的组合螺杆,利用组合挤压螺杆在料筒内旋转将含有适量水分的物料向前推动,物料与螺杆及料筒内的构件发生强烈摩擦产生高温高热,物料中的水分转变为水蒸气,当高温高压的物料在口模处被挤出,压力和温度骤减,使物料体积迅速增大,达到膨化目的。
物料在膨化机内的温度对膨化效果有直接的影响,因此,研究干法膨化机内的功热转化机理,对提高膨化效果和降低功率消耗有很重要的意义。
2 干法膨化机内物料建压模型
干法膨化机为了有效地建立膨化所需的压力,采用了较大的压缩比。其螺杆结构与传统的塑料挤出机的螺杆结构有很大区别,传统的塑料挤出机建压模型将螺槽展开成平直槽[3],这显然与干法膨化机的螺槽不符合,干法膨化机的螺槽展开是截面积逐渐减小的锥形槽,因此需在传统的塑料挤出机建压模型的基础上,建立专门针对干法膨化机的建压模型。
物料在干法膨化机内的建压是一个相当复杂的过程,为了能够进行理论分析,需要做出以下几点基本假设。
①忽略螺杆曲率的影响,可将螺槽展开为锥形槽(见图2a),锥形槽上下表面与水平面的夹角为α(对于等槽深变螺距的螺杆段相当于α为零),左右侧面与铅垂面的夹角为β(对于等螺距变槽深的螺杆段相当于β为零,见图2b),而料筒展开为平板;
②假定螺槽中物料的运动速度保持不变,随着螺槽的收窄,物料被压缩,密度沿螺槽方向逐渐增大;
③螺杆中的物料与螺槽底面、两个侧面和机筒内表面同时紧密地接触,物料和螺槽平板之间的摩擦力只取决于法向应力而与物料的位置和运动无关;
④假设螺杆静止不动,料筒在圆周方向上作匀速旋转运动,物料在具有运动平板的直槽内输送,运动平板的运动方向与物料的运动方向成φ角(见图2a);
⑤运动平板作用在物料运动固体粒子上的力的方向与运动平板的运动方向之间的夹角为θ(见图2a),且忽略该夹角沿着物料运动方向的变化;
⑥物料的法向应力与轴向(运动方向)应力之比为常数K,与位置无关,且忽略物料内应力分布的变化和温度变化的影响;
⑦轴向应力(压力)和法向应力只沿物料运动方向变化。
基于上述的基本假设和分析,从而可以将膨化机中复杂的物料减压过程简化图2所示的物理模型。根据该物理模型,运用物理学和数学等知识就可以建立相应的物料建压过程的数学模型。
在螺槽中取一段长度为dz的物料微元体作为研究对象,对微元体的受力分析如下:
图3 微元体受力分析
微元体在螺槽中运动时,所受的力可以分为10个力来考虑。其中F1为料筒对物料微元体的摩擦力,F2、F5、F6分别为螺槽底部和侧面对物料微元体的摩擦力,F3、F4为微元体物料在前进方向所受的推力与阻力,F7、F8为物料微元体受到螺槽两个侧面的正压力,F9为物料微元体受到料筒的正压力,F10为物料微元体受到螺槽底部的正压力。
各力的大小分别为:
其中,Fd实际上是推进面作用在微元体上的一个正推力。
所取微元体受力平衡,因此对x向进行受力分析,可得:
3 干法膨化机内功热转化模型
根据干法膨化机的工作原理,主要是由于物料与料筒、螺杆之间的摩擦产生的热量而使物料的温度升高,假设 W1、W2、W5、W6分别为微元体在移动距离为dz的过程中摩擦力 F1、F2、F5、F6所做的功,Q 为微元体所吸收的热量,则有:
其中:M是长度为dz的物料微元体的质量,c为生物质材料的比热容,ø为物料的含水量,cw为水的比热容。
当挤出稳定时,假设膨化机是一个绝热系统,则有:
4 结论
干法膨化机螺杆的结构与传统的塑料挤出机内的螺杆结构有较大区别,因此干法膨化机内的物料建压理论就不能完全采用传统的塑料挤出机的固体建压理论。考虑螺槽逐渐收缩而将螺槽展开为锥形槽,在此基础上推算出压力计算公式,再依据干法膨化机摩擦生热的工作原理,进一步推算出干法膨化机物料的沿程温度分布计算公式,对干法膨化机的设计和应用有一定的指导作用。
[1]张忠良,丁斌.干法膨化机及其应用[J].粮食科技与经济,2003(1):43-44.
[2]邹岚,白洪涛.EXT单螺杆自热膨化机功热转化分析[J].农业工程学报,2007,23(8):126-129.
[3]朱复华.挤出理论及应用[M].中国轻工业出版社,2001.