双向潜水贯流泵装置性能试验与数值分析.pdf

第28卷第16期
农业工程学报
Vol28 No 16
2012年8月
Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering
Aug.2012
双螺杄挤压膨化机温升特性的仿真分析与试验
林江娇,赵春芳2,朱立学
(1.仲恺农业工程学院,州510225:2.珠海元朗食品有限公司,珠海519085)
摘要:为了分析双螺杄挤压膨化机内流体的温度变化过程及规律,该文利用流変学理论建立了非等温、非牛顿流体的
数学模型,在螺杆转速为245r/min,入口处压力为0.5MPa时,分別取初始温度423K,433K和443K条件下,以玉米
为原料对流体的温度分布进行了仿真分析。分析结果表明:流体受挤压过程中温度上升了5K左右,其中啮合区升温较
快,初始温度为423K时流体的温度分布较均匀:3种初始温度条件下物料均以等温状态流出挤压膨化模头,并通过食品
膨化试验验证了仿寘结论。研究结果可为双螺挤压膨化加工提供参考。
关键词:挤出,流体,温度,仿真分析
doi:10.3969/1ssn.10026819.2012.16.008
中图分类号:S224.23;S816.34
文献标志码:A
文章编号:1002-6819(2012)-16-0047-07
林江娇,赵春芳,朱立学.双螺杄挤压膨化机温升特性的仿真分析与试验[].农业工程学报,2012,28(16):47-53.
Lin Jiangjiao, Zhao Chunfang, Zhu Lixue. Simulation analysis and experiment of temperature rising characteristics in twin-screw
extruder U]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2012, 28(16): 47-53
(in Chinese with English abstract)
引言
流体的数学模型
双螺杆挤压膨化机是食品、制药、化工等领域使用1.1基本假设
」分广泛的设备,其挤压膨化工艺的操作参数优劣直接
双螺杄挤压膨化过程的流体运动状态十分复杂,物料
影响产品品质,产量,能耗和膨化机的使用寿命等。为在挤压腔内由固体输送区的固体状态先转变为熔融区的固
优化其结构,需要研究其挤压输送膨化过程物料的流动体和熔体混合状态,再转变为熔体输送段的熔体状态,然
规律和流场特性,包括温度、压力、速度的分布和流体后通过机头口模挤出成型41。由于到目前为止还不能对熔
在剪切力作用下的流动特征。对于食品、药品挤压膨化融段和熔体输送段进行数学上的精确描述,其流动以及热
设备还需要考虑温升和高压对有机质物料理化特性的影传递从能近似由流变学3大方程来描述,因此可以采用
响和发生挤压腔壅堵中断生产情形下的物料焦化问题。数值模拟计算的方法对其进行温升特性仿真分析1
由于挤压膨化是在一个高温、高压密闭腔里完成,不易
物料经双螺杄挤压膨化机固体输送段挤压后,位于
对各段挤压输送过程直接进行特性参数的在线观测,给膨化模头前的全充满熔体为稳定的非等温流场。由于惯
研究工作带来了困难?。国内外研究或者假设流道内流性力、重力等体积力远小于黏滞力,可忽略不计10.。假
体为等温、稳定的牛顿流体2,或者只对速度、压力、设流体不可压缩,流道壁面无滑移,雷诺数较小?,流
剪切速率等进行了分析,均未对近似非忭顿假塑性流体微团受黏性的牵制和约束,不易混乱,可认为近似于
体的温度场进行仿真研究,未能很好地解释挤压膨化温层流运动?。考虑到熔体输送段工艺条件及食品原料
升特性与产品质量间的关系。
的特性,在进行仿真分析时对流体作必要的筒化处理
为此,本文利用流体动力学和物料流变学等理论建其表观黏度与剪切速率和温度的关系可采用 Carreau
立了流体的的数学模型,以玉米粉为原料,近似模拟实际 Arrhenius模型的流体本构方程进行一维仿真分析92の。
流体的流场和温度分布状况,并进行可视化仿真分析,
挤压膨化熔体流动的数值模拟是以迩续介质的流体
以探寻流体温度变化趋势与规律。在此基础上,找出有动力学和密闭容器内的物料流变学为基础,利用本构方
利于提高产品品质的工艺参数,为提高啮合双螺村挤压程来描述应力应变关系,并结合控制方程形成数学模型
膨化机的生产效率提供技术依据
进行数值仿真求解,其控制方程包含连续性方程,运动
方程和能量方程。本文以能量方程的温度7为目标进行
仿真分析
收稿日期:2011-12-10修订日期:2012-07-24
1.2流体运动控制方程
基金项目:国家自然科学基金项目(51075406)
作者简介:林江娇(1970一),女,讲师,主要从事农业工程技术研究
1.2.1连续性方程
州仲恺农业工程学院,510225
在上述假设下,对于不可压缩稳定流场的流体,其
※連信作者:朱立学(1970-),男,浙江人,教授,主要从事农产品加工连续性方程为:VQ-0。其有限差分法的表达式为
与贮蔵工程研究。广州仲恺农业工程学院,510225
Ernail: yhulixue@I 63nel