干法膨化機物料溫升計算模型分析

黃燦軍

（廣東水利電力職業(yè)技術學院，廣東 廣州 510635）

膨化技術在飼料工業(yè)中應用越來越廣泛，發(fā)展速度越來越快。膨化技術按調(diào)質(zhì)方法可分為干法膨化和濕法膨化兩種，濕法膨化物料需先加蒸汽進行調(diào)質(zhì)，而干法膨化只需根據(jù)物料特性加適量水即可[1]。

干法膨化以操作和結構簡單、成本低、能耗低等特點而被國內(nèi)飼料廠普遍采用[2]。因此研究膨化機內(nèi)的功熱轉(zhuǎn)換機理，確切地了解物料溫升與飼料物性參數(shù)、膨化機幾何尺寸等因素之間的關系，對干法膨化機的設計和應用具有重要意義。

1 單螺桿干法膨化機工作原理

圖1是單螺桿干法膨化機螺桿示意圖。

圖1 料筒、螺桿結構

由于干法膨化機加工物料的松密度通常較小，要使物料在口模處被擠出時有足夠大的膨化壓力，干法膨化機的螺桿必須設計成較大的壓縮比，使物料在膨化機內(nèi)不斷被壓實。因此干法膨化機的螺桿在設計上采用螺距逐漸減小、槽深逐漸變淺的組合螺桿，利用組合擠壓螺桿在料筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)將含有適量水分的物料向前推動，物料與螺桿及料筒內(nèi)的構件發(fā)生強烈摩擦產(chǎn)生高溫高熱，物料中的水分轉(zhuǎn)變?yōu)樗魵猓敻邷馗邏旱奈锪显诳谀Ｌ幈粩D出，壓力和溫度驟減，使物料體積迅速增大，達到膨化目的。

物料在膨化機內(nèi)的溫度對膨化效果有直接的影響，因此，研究干法膨化機內(nèi)的功熱轉(zhuǎn)化機理，對提高膨化效果和降低功率消耗有很重要的意義。

2 干法膨化機內(nèi)物料建壓模型

干法膨化機為了有效地建立膨化所需的壓力，采用了較大的壓縮比。其螺桿結構與傳統(tǒng)的塑料擠出機的螺桿結構有很大區(qū)別，傳統(tǒng)的塑料擠出機建壓模型將螺槽展開成平直槽[3]，這顯然與干法膨化機的螺槽不符合，干法膨化機的螺槽展開是截面積逐漸減小的錐形槽，因此需在傳統(tǒng)的塑料擠出機建壓模型的基礎上，建立專門針對干法膨化機的建壓模型。

物料在干法膨化機內(nèi)的建壓是一個相當復雜的過程，為了能夠進行理論分析，需要做出以下幾點基本假設。

①忽略螺桿曲率的影響，可將螺槽展開為錐形槽（見圖2a），錐形槽上下表面與水平面的夾角為α（對于等槽深變螺距的螺桿段相當于α為零），左右側面與鉛垂面的夾角為β（對于等螺距變槽深的螺桿段相當于β為零，見圖2b），而料筒展開為平板；

②假定螺槽中物料的運動速度保持不變，隨著螺槽的收窄，物料被壓縮，密度沿螺槽方向逐漸增大；

③螺桿中的物料與螺槽底面、兩個側面和機筒內(nèi)表面同時緊密地接觸，物料和螺槽平板之間的摩擦力只取決于法向應力而與物料的位置和運動無關；

④假設螺桿靜止不動，料筒在圓周方向上作勻速旋轉(zhuǎn)運動，物料在具有運動平板的直槽內(nèi)輸送，運動平板的運動方向與物料的運動方向成φ角（見圖2a）；

⑤運動平板作用在物料運動固體粒子上的力的方向與運動平板的運動方向之間的夾角為θ（見圖2a），且忽略該夾角沿著物料運動方向的變化；

⑥物料的法向應力與軸向（運動方向）應力之比為常數(shù)K，與位置無關，且忽略物料內(nèi)應力分布的變化和溫度變化的影響；

⑦軸向應力（壓力）和法向應力只沿物料運動方向變化。

基于上述的基本假設和分析，從而可以將膨化機中復雜的物料減壓過程簡化圖2所示的物理模型。根據(jù)該物理模型，運用物理學和數(shù)學等知識就可以建立相應的物料建壓過程的數(shù)學模型。

在螺槽中取一段長度為dz的物料微元體作為研究對象，對微元體的受力分析如下：

圖3 微元體受力分析

微元體在螺槽中運動時，所受的力可以分為10個力來考慮。其中F1為料筒對物料微元體的摩擦力，F(xiàn)2、F5、F6分別為螺槽底部和側面對物料微元體的摩擦力，F(xiàn)3、F4為微元體物料在前進方向所受的推力與阻力，F(xiàn)7、F8為物料微元體受到螺槽兩個側面的正壓力，F(xiàn)9為物料微元體受到料筒的正壓力，F(xiàn)10為物料微元體受到螺槽底部的正壓力。

各力的大小分別為：

其中，F(xiàn)d實際上是推進面作用在微元體上的一個正推力。

所取微元體受力平衡，因此對x向進行受力分析，可得：

3 干法膨化機內(nèi)功熱轉(zhuǎn)化模型

根據(jù)干法膨化機的工作原理，主要是由于物料與料筒、螺桿之間的摩擦產(chǎn)生的熱量而使物料的溫度升高，假設 W1、W2、W5、W6分別為微元體在移動距離為dz的過程中摩擦力 F1、F2、F5、F6所做的功，Q 為微元體所吸收的熱量，則有：

其中：M是長度為dz的物料微元體的質(zhì)量，c為生物質(zhì)材料的比熱容，?為物料的含水量，cw為水的比熱容。

當擠出穩(wěn)定時,假設膨化機是一個絕熱系統(tǒng),則有：

4 結論

干法膨化機螺桿的結構與傳統(tǒng)的塑料擠出機內(nèi)的螺桿結構有較大區(qū)別，因此干法膨化機內(nèi)的物料建壓理論就不能完全采用傳統(tǒng)的塑料擠出機的固體建壓理論。考慮螺槽逐漸收縮而將螺槽展開為錐形槽，在此基礎上推算出壓力計算公式，再依據(jù)干法膨化機摩擦生熱的工作原理，進一步推算出干法膨化機物料的沿程溫度分布計算公式，對干法膨化機的設計和應用有一定的指導作用。

[1]張忠良,丁斌.干法膨化機及其應用[J].糧食科技與經(jīng)濟，2003(1):43－44.

[2]鄒嵐,白洪濤.EXT單螺桿自熱膨化機功熱轉(zhuǎn)化分析[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2007,23(8):126－129.

[3]朱復華.擠出理論及應用[M].中國輕工業(yè)出版社，2001.