История развития науки о процессах и аппаратах

2.3.2. ПРОЦЕССЫ В ШНЕКОВЫХ ФОРМООБРАЗУЮЩИХ
ПРЕССАХ

В шнековом прессе при движении вязкопластических материалов вдоль цилиндрического корпуса могут развиваться высокие давления. Температура материала при этом также существенно повышается. Выходя из пресса, сжатый и нагретый материал попадает в другие условия, как правило, атмосферные. Это нарушает установившееся в нем состояние равновесия, и явление перехода материала в такое состояние называют тепловым шоком. В соответствии с принципом Ле Шателье в материале начинаются процессы перехода в новое состояние равновесия. Наиболее яркий из них — вскипание жидкости, оказавшейся в новых условиях перегретой. Обычно этот процесс носит характер взрыва и приводит к изменению структуры материала. На основе использования явления теплового шока построены такие технологические процессы переработки пищевых продуктов, как изготовле­ние воздушных палочек (кукурузных, крупяных), разрушение оболочек крахмальных зерен при переработке крахмалсодержащего сырья на спирт и др. В процессе сдавливания и нагревания вязкопластических пищевых масс изменяются их свойства, что создает возможности получения принципиально новых продуктов питания.

Корпус шнека может подогреваться или охлаждаться снаружи, что приводит к передаче теплоты деформируемому материалу или к отводу теплоты от него.
В шнековых прессах реализуются следующие основные процессы: продвижение материала к матрице; нагрев материала с использованием наружных нагревателей или путем преобразования механической энергии его движения в тепловую; пластификация, или уменьшение вязкости, материала; продавливание материала через матрицу.
В одношнековых прессах решающим фактором, обеспечиваю­щим перемещение материала, является взаимодействие материала со шнеком и стенками цилиндра. Это взаимодействие определяется значениями коэффициентов трения на соответствующих деталях. Для эффективной работы пресса трение о шнек должно быть малым, а о цилиндр — большим. Иначе при некоторых значениях этих параметров возможно вращение материала вместе со шнеком без продвижения в осевом направлении.
Основное явление, определяющее специфику формообразования пищевых материалов, — релаксация напряжений в полимерных материалах. Для получения устойчивых форм изделий необходима выдержка изделий в форме под давлением в течение времени релаксации напряжений.
При нагнетании (выдавливании через матрицу в виде непрерывных жгутов) под действием повышенного давления совместно со сдвиговыми деформациями материала его длинные полимерные молекулы сближаются. В результате число поперечных связей между ними существенно увеличивается и материал приобретает повышенную прочность. В частности, макаронные изделия, полученные таким способом, меньше развариваются.
Машины для обработки пищевых масс давлением разделены на два класса — прессующие и формообразующие. Основные виды таких машин: отжимающий пресс, шнековый зеерный пресс, вальцовый отжимной пресс, брикетировщик, таблетирующая машина, прессовый гранулятор, адгезионный гранулятор, гранулятор из растворов в псевдоожиженном слое, прессовый и валковый нагнетатели, штампующие и прокатывающие машины, округлительные машины.
Шнековые прессы представляют собой цилиндрические или конические патрубки, внутри которых размещаются шнеки — вращающиеся валы с лопастями, закрепленными на них по винтовым линиям. При вращении шнека сплошная среда получает силовое воздействие со стороны лопастей шнека и вследствие того, что она тормозится в своем движении в окружном направлении поверхностными силами на границе с неподвижным корпусом, перемещается вдоль его оси как гайка вдоль винта.
С увеличением давления на выходе шнековые аппараты изменяют свои функции от транспортеров к прессам. Шнековые прессы, приспособленные для выполнения специфичных операций пищевой промышленности, имеют специальные названия: экстракторы, экструдеры, макаронные прессы, волчки, диспергаторы и смесители высоковязких материалов.
В винтовых каналах одношнекового пресса могут реализовываться течения во взаимно противоположных направлениях — к матрице и обратно. Обратное движение имеет место как в самом канале, так и в зазоре между шнеком и корпусом. Соотношением прямого и обратного потоков определяются расход материала через пресс и интенсивность его перемешивания внутри пресса.
Крайние случаи движения материалов в шнековом прессе: вращение материала вместе со шнеком относительно корпуса и движение материала относительно шнека, как ходовой гайки относительно винта. Как правило, реализуются промежуточные случаи движения — средние между указанными крайними. При существенном уменьшении расхода через пресс он работает как смеситель высоковязких материалов.
Балансом сил, действующих на элемент материала в каналах шнека, определяется экспоненциальное изменение давления вдоль оси шнека, а векторной суммой скоростей движения материала— прямолинейное изменение расхода материала через пресс в зависимости от давления.
Модели движения материала в каналах шнека изображаются в виде двух эквидистантных пластин или пластины и желоба, одна из которых подвижна и передает движение материалу между ними вследствие трения. Рассмотрение этих моделей дает эпюры скоростей материала в каналах шнека.
Известны формы шнеков, обеспечивающих минимальные потери на трение материала по их поверхности.