黃燦軍

（廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510635）

膨化技術(shù)在飼料工業(yè)中應(yīng)用越來越廣泛，發(fā)展速度越來越快。膨化技術(shù)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(jìn)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(jié)構(gòu)簡單、成本低、能耗低等特點(diǎn)而被國內(nèi)飼料廠普遍采用[2]。因此研究膨化機(jī)內(nèi)的功熱轉(zhuǎn)換機(jī)理，確切地了解物料溫升與飼料物性參數(shù)、膨化機(jī)幾何尺寸等因素之間的關(guān)系，對干法膨化機(jī)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有重要意義。

1 單螺桿干法膨化機(jī)工作原理

圖1是單螺桿干法膨化機(jī)螺桿示意圖。

圖1 料筒、螺桿結(jié)構(gòu)

由于干法膨化機(jī)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(jī)的螺桿必須設(shè)計(jì)成較大的壓縮比，使物料在膨化機(jī)內(nèi)不斷被壓實(shí)。因此干法膨化機(jī)的螺桿在設(shè)計(jì)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(gòu)件發(fā)生強(qiáng)烈摩擦產(chǎn)生高溫高熱，物料中的水分轉(zhuǎn)變?yōu)樗魵?，?dāng)高溫高壓的物料在口模處被擠出，壓力和溫度驟減，使物料體積迅速增大，達(dá)到膨化目的。

物料在膨化機(jī)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(jī)內(nèi)的功熱轉(zhuǎn)化機(jī)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(jī)內(nèi)物料建壓模型

干法膨化機(jī)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(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的塑料擠出機(jī)的螺桿結(jié)構(gòu)有很大區(qū)別，傳統(tǒng)的塑料擠出機(jī)建壓模型將螺槽展開成平直槽[3]，這顯然與干法膨化機(jī)的螺槽不符合，干法膨化機(jī)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(jī)建壓模型的基礎(chǔ)上，建立專門針對干法膨化機(jī)的建壓模型。

物料在干法膨化機(jī)內(nèi)的建壓是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程，為了能夠進(jìn)行理論分析，需要做出以下幾點(diǎn)基本假設(shè)。

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(dāng)于α為零），左右側(cè)面與鉛垂面的夾角為β（對于等螺距變槽深的螺桿段相當(dāng)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(yùn)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(cè)面和機(jī)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(yīng)力而與物料的位置和運(yùn)動無關(guān)；

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

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

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

⑦軸向應(yīng)力（壓力）和法向應(yīng)力只沿物料運(yùn)動方向變化。

基于上述的基本假設(shè)和分析，從而可以將膨化機(jī)中復(fù)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(yùn)用物理學(xué)和數(shù)學(xué)等知識就可以建立相應(yīng)的物料建壓過程的數(shù)學(xué)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(yùn)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(cè)面對物料微元體的摩擦力，F(xiàn)3、F4為微元體物料在前進(jìn)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(cè)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(shí)際上是推進(jìn)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(jìn)行受力分析，可得：

3 干法膨化機(jī)內(nèi)功熱轉(zhuǎn)化模型

根據(jù)干法膨化機(jī)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(shè) 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(dāng)擠出穩(wěn)定時,假設(shè)膨化機(jī)是一個絕熱系統(tǒng),則有：

4 結(jié)論

干法膨化機(jī)螺桿的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的塑料擠出機(jī)內(nèi)的螺桿結(jié)構(gòu)有較大區(qū)別，因此干法膨化機(jī)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(jī)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(chǔ)上推算出壓力計(jì)算公式，再依據(jù)干法膨化機(jī)摩擦生熱的工作原理，進(jìn)一步推算出干法膨化機(jī)物料的沿程溫度分布計(jì)算公式，對干法膨化機(jī)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用有一定的指導(dǎo)作用。

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

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

[3]朱復(fù)華.擠出理論及應(yīng)用[M].中國輕工業(yè)出版社，2001.