潘小莉，張兆國，蘇曉琳

（1.羅定職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 羅定 527200；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030；3.黑龍江民族職業(yè)學(xué)院，哈爾濱 150086）

擠壓膨化技術(shù)作為一項(xiàng)新興技術(shù)，在浸出設(shè)備的生產(chǎn)能力、油脂浸出速度、溶劑料胚比等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)溶劑浸出法。在提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，還要兼顧如何提高生產(chǎn)率、降低能耗，以便獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益。因此，雙螺桿擠壓機(jī)能耗研究變得尤其重要。

關(guān)于擠壓膨化機(jī)生產(chǎn)能力及功率消耗的問題，學(xué)者們在理論分析和試驗(yàn)研究上進(jìn)行了許多探索。在理論分析方面，尋找食品擠壓膨化機(jī)生產(chǎn)率及功率消耗的理論計(jì)算方法-這一領(lǐng)域的研究[1-4]，雖然取得了較多研究成果，但是由于擠壓機(jī)內(nèi)物料流動的復(fù)雜性，經(jīng)過一些抽象、假設(shè)，使得理論公式與實(shí)際情況始終存在較大差異。一些學(xué)者利用相似理論推導(dǎo)擠壓機(jī)流量及功耗的л方程，在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，得出擠壓機(jī)流量及功耗的半經(jīng)驗(yàn)半理論的估算公式[5-7]。

本文使用自行研制的雙螺桿擠壓機(jī)（雙螺桿結(jié)構(gòu)如圖1所示），擠壓膨化用于浸油的大豆生產(chǎn)率和度電產(chǎn)量隨擠壓參數(shù)變化規(guī)律。工作過程如下：在輸料段，物料從料斗進(jìn)入機(jī)筒內(nèi)，隨著螺桿的轉(zhuǎn)動進(jìn)入壓縮熔融段后，壓力、溫度升高同時(shí)受到螺桿和機(jī)筒的強(qiáng)烈攪拌、混合、剪切，直至全部熔融；由于螺槽空間進(jìn)一步變小，物料進(jìn)一步升溫升壓，得到蒸煮，使原料淀粉充分糊化，脂肪、蛋白質(zhì)變性等一系列復(fù)雜的生化反應(yīng)，組織進(jìn)一步均化，到達(dá)均勻段，最終從模板處瞬間擠出。

圖1 雙螺旋桿膨化結(jié)構(gòu)Fig.1 Twin-screw extuder

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

大豆：東農(nóng)32（蛋白質(zhì)含量41.60%，油脂含量21.30%，水分含量11.60%），市購。

1.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

開合式雙螺桿擠壓機(jī)：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)產(chǎn)品加工實(shí)驗(yàn)室自制，由六節(jié)套筒組成，可沿徑向開合，方便物料的采集清理。配有數(shù)顯儀表，閉環(huán)自控系統(tǒng)。

DS15型三相三線有功電度表（電表常數(shù)為300 r·kW-1·h-1）（上海電表廠）。

電流互感器（額定變流比為300A/5A）。秒表（精度為0.01 s）。

1.3 試驗(yàn)方法

采用四因素五水平二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)試驗(yàn)[8]。研究系統(tǒng)參數(shù)（模孔直徑、物料水分、螺桿轉(zhuǎn)速、套筒溫度）對生產(chǎn)率和度電產(chǎn)量的關(guān)系。因素水平編碼見表1，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2。

表1 因素水平編碼表Table1 Encoding value of factors and levels

2 結(jié)果與分析

2.1 回歸方程與檢驗(yàn)

通過Reda軟件包對表2的結(jié)果進(jìn)行處理，可以得到生產(chǎn)率Y1、度電產(chǎn)量Y2的回歸方程如下：

通過回歸分析可知，四個(gè)因素對生產(chǎn)率的因子貢獻(xiàn)（各因素對生產(chǎn)率的作用大小程度）分別為：螺桿轉(zhuǎn)速X3（1.334），模孔直徑X1（0.899），套筒溫度X4（0.557），物料水分X2（0.381）?；貧w方程方差分析見表3。

F1F0.1（14，21）=0.285，說明方程在0.1水平是顯著的，即試驗(yàn)數(shù)據(jù)與所采用的二次數(shù)學(xué)模型基本相符。

通過回歸分析可知，四個(gè)因素對度電產(chǎn)量的因子貢獻(xiàn)率（四個(gè)因素對度電產(chǎn)量的作用大小程度）分別為：螺桿轉(zhuǎn)速X3（1.171），模孔直徑X1（1.038），套筒溫度X4（0.723），物料水分X2（0.619）?；貧w方程方差分析見表4。

表2 試驗(yàn)安排與結(jié)果Table2 Experimental arrangement and results

表3 生產(chǎn)率回歸方程方差分析Table3 Regression analysis of productivity

表4 度電產(chǎn)量回歸方程方差分析Table4 Regression analysis of per kilowatt-hour yield

2.2 各試驗(yàn)因素對生產(chǎn)率的影響

本文采用降維法分析各試驗(yàn)因素對指標(biāo)的影響。以下分析均采用編碼值模型進(jìn)行分析。圖2～5為試驗(yàn)因素對生產(chǎn)率影響的關(guān)系曲線圖。依次將其余 3 個(gè)因素固定在（-1，-1，-1），（0，0，0）和(1，1，1）水平。代入生產(chǎn)率回歸方程，分析其他3個(gè)擠壓參數(shù)取值不同時(shí)，單一參數(shù)與生產(chǎn)率之間的關(guān)系。

2.2.1 螺桿轉(zhuǎn)速對生產(chǎn)率的影響

螺桿轉(zhuǎn)速對生產(chǎn)率的影響最顯著，由圖2可知，隨著轉(zhuǎn)速增加由?？讛D出的物料生產(chǎn)率就越高，+1水平時(shí)，生產(chǎn)率最高達(dá)250 kg·h-1。螺桿轉(zhuǎn)速又受工藝條的限制，不能單純?yōu)榱颂岣呱a(chǎn)率隨意提高轉(zhuǎn)速。依據(jù)已做實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，螺桿轉(zhuǎn)速固定在100 r·min-1左右可獲得較佳的殘油率指標(biāo)。

2.2.2 ?？字睆綄ιa(chǎn)率的影響

由圖3可知，三因素取值不同對生產(chǎn)率影響較大，隨著?？字睆降脑黾?，生產(chǎn)率呈上升趨勢。在+1水平時(shí)，生產(chǎn)率最高達(dá)200 kg·h-1以上；在0和-1水平生產(chǎn)率。分析原因是主軸轉(zhuǎn)速一定、螺桿單位時(shí)間向前推動物料一定的情況下，?？卓讖酱髣t物料排出順暢，單位時(shí)間擠出物料增多；小?？壮隽侠щy，相對生產(chǎn)率要低。

圖2 螺桿轉(zhuǎn)速與生產(chǎn)率的關(guān)系Fig.2 Effect of rotate speed of screw on productivity

圖3 ?？字睆脚c生產(chǎn)率的關(guān)系Fig.3 Effect of diameter of die nozzle on productivity

2.2.3 套筒溫度對生產(chǎn)率的影響

由圖4可知，套筒溫度的升高，生產(chǎn)率呈緩慢升高趨勢。在+1水平時(shí)，生產(chǎn)率高于200 kg·h-1。當(dāng)因素水平較低時(shí)，生產(chǎn)率基本保持150 kg·h-1左右。理論分析認(rèn)為溫度升高利于細(xì)胞內(nèi)油脂的流出，降低黏度減少流動阻力，在擠壓腔體內(nèi)形成利于流動的條件[9]。

圖4 套筒溫度與生產(chǎn)率的關(guān)系Fig.4 Effect of barrel temperature on productivity

2.2.4 物料水分對生產(chǎn)率的影響

由圖5可知，固定模孔直徑、螺桿轉(zhuǎn)速和套筒溫度在0水平時(shí)，生產(chǎn)率隨物料水分的變化不大；在+1水平，生產(chǎn)率隨著物料水分的增加而升高。在0和-1水平時(shí)，隨物料水分的增加生產(chǎn)率有略微下降的趨勢。主要是由于水分的增加減少了物料與腔體內(nèi)壁的摩擦，利于物料在腔體里流動從而提高生產(chǎn)率。

圖5 物料水分與生產(chǎn)率的關(guān)系Fig.5 Effect of moisture content on productivity

2.3 各試驗(yàn)因素對度電產(chǎn)量的影響

2.3.1 螺桿轉(zhuǎn)速對度電產(chǎn)量的影響

由圖6可知，度電產(chǎn)量隨螺桿轉(zhuǎn)速升高而增加，+1水平時(shí)，度電產(chǎn)量最高達(dá) 300 kg·kW-1·h-1，水平較低時(shí)度電產(chǎn)量在200 kg·kW-1·h-1左右，變化幅度不明顯。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速增加時(shí)，物料在機(jī)膛內(nèi)受到推動力增大，物料運(yùn)行的速度也相應(yīng)加快而使度電產(chǎn)量升高。

圖6 螺桿轉(zhuǎn)速與度電產(chǎn)量的關(guān)系Fig.6 Effect of rotate speed of screw on per kilowatthour yield

2.3.2 ?？字睆綄Χ入姰a(chǎn)量的影響

由圖7可知，隨著?？字睆降脑黾樱入姰a(chǎn)量呈上升趨勢，其余三因素水平較高時(shí)度電產(chǎn)量明顯高于較低水平。理論分析認(rèn)為，大?？字睆脚帕先菀祝岣呱a(chǎn)率。另外，模孔直徑增大，腔體內(nèi)的壓力下降，物料與腔體內(nèi)壁的摩擦和阻力減小，所以降低能耗提高了度電產(chǎn)量。

圖7 ?？字睆脚c度電產(chǎn)量的關(guān)系Fig.7 Effect of diameter of die nozzle on per kilowatthour yield

2.3.3 套筒溫度對度電產(chǎn)量的影響

如圖8所示，套筒溫度對度電產(chǎn)量的影響較平緩，度電產(chǎn)量幾乎不受套筒溫度變化的影響。但其他三個(gè)因素的取值卻影響著度電產(chǎn)量。取值較低時(shí)（-1、0 水平），度電產(chǎn)量低于 250 kg·kW-1·h-1；水平值較高時(shí)，度電產(chǎn)量高于250 kg·kW-1·h-1。分析原因主要是溫度升高，物料的黏度下降，流動阻力減小使物料在腔體內(nèi)更易于形成流動的條件，既能提高生產(chǎn)率又降低了能耗，所以度電產(chǎn)量增加。

圖8 套筒溫度與度電產(chǎn)量的關(guān)系Fig.8 Effect of barrel temperature on per kilowatt-hour yield

2.3.4 物料水分對度電產(chǎn)量的影響

如圖9所示，其他三個(gè)擠壓參數(shù)的取值直接影響物料水分與度電產(chǎn)量的關(guān)系，當(dāng)三個(gè)因素取值較低時(shí)（-1水平），度電產(chǎn)量隨物料水分的增加而降低；當(dāng)取0水平時(shí)度電產(chǎn)量受物料水分的影響較少；當(dāng)其余三個(gè)因素取值+1水平時(shí)，度電產(chǎn)量隨水分的增加而增加。分析原因主要是水分對調(diào)節(jié)物料的物理機(jī)械性能很重要，水分在腔體內(nèi)起到潤滑劑的作用，減少摩擦和阻力，降低能耗提高單位時(shí)間的產(chǎn)出率[10]。

圖9 物料水分與度電產(chǎn)量的關(guān)系Fig.9 Effect of moisture content on per kilowatt-hour yield

3 結(jié) 論

a.本試驗(yàn)四個(gè)因素中對生產(chǎn)率、度電產(chǎn)量影響大小依次為螺桿轉(zhuǎn)速、?？字睆?、套筒溫度、物料水分。

b.對生產(chǎn)率而言，大?？字睆健⒏呶锪纤?、高螺桿轉(zhuǎn)速、高套筒溫度的組合生產(chǎn)率高；小?？字睆健⒏呶锪纤?、低螺桿轉(zhuǎn)速、低套筒溫度的組合生產(chǎn)率較低。

c.對度電產(chǎn)量而言，大?？字睆健⒏呶锪纤?、高螺桿轉(zhuǎn)速、低套筒溫度的組合度電產(chǎn)量高；小?？字睆?、高物料水分、低螺桿轉(zhuǎn)速、低套筒溫度的組合度電產(chǎn)量較低

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