CN113273711A - 一种挤压糊化装置及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种挤压糊化装置及系统，该装置包括加热腔体、挤压腔体和螺杆；加热腔体具有蒸汽入口和出口；挤压腔体位于加热腔体中，挤压腔体具有伸出加热腔体外的进料口和出料口；螺杆为中空结构且能够周向旋转，其包括驱动段和工作段，工作段位于挤压腔体中，用于在螺杆旋转时与挤压腔体的腔壁配合，以将物料从进料口传送至出料口的同时对物料进行挤压糊化；驱动段伸出挤压腔体外且其端部开口，用于与外部蒸汽源相连通，以及与外部旋转驱动机构相连，工作段上开设有供蒸汽逸出至挤压腔体内的通孔。由此，挤压腔体内的物料在双层蒸汽作用下能实现极高的加热速率以及加热均匀度，保证了大产能下物料的糊化度。

Description

一种挤压糊化装置及系统
技术领域
本发明涉及，具体涉及一种挤压糊化装置及系统。
背景技术
挤压技术是一种集混合、输送、加热、蒸煮及加压等多项单元操作为一体的技术，在食品加工领域具有广泛的应用。比如在一些淀粉基食品中，淀粉基物料首先与水调质获得含一定水分的湿物料，然后进入螺杆挤压集中进行挤压并糊化，或者在进入挤压机前先进行蒸制糊化后再进入挤压机内糊化成型。
现有的挤压糊化装置大多采用单螺杆或双螺杆，加工过程一般可分为三个阶段，第一阶段为物料输送阶段，物料进入挤压糊化装置后在不断转动的螺杆摩擦力下向前输送；第二阶段为糊化阶段，随着温度和压力的上升及螺杆与糊化腔对物料的挤压、剪切等作用，物料逐步糊化；第三阶段为出料阶段，温度进一步升高，淀粉、脂肪和蛋白质等发生变化及反应，物料通过模具通道均匀地排出。根据以上三个阶段，目前挤压糊化装置为了达到比较好的糊化度，一般会采用增加挤压螺杆长度或挤压糊化腔的直径等形式实现，但是这意味着需要更高的能耗。同时，这类挤压糊化装置的加热来源主要为剪切摩擦力和外界功能糊化，加热过于单一，在一些淀粉基的挤压产品中，当产量增加时会出现产品糊化度不够，最终影响产品质量。比如在米粉的挤压加工中，目前产能最高仅有200kg/h，如增加产能，则产品糊化程度急剧降低，使产品质量急剧下降。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种挤压糊化装置，该装置能够在保证物料糊化度的前提下，极大地增加产能，相应地，还提供一种具有该装置的系统。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种挤压糊化装置，包括：加热腔体、挤压腔体和螺杆；
所述加热腔体具有蒸汽入口和蒸汽出口；
所述挤压腔体位于加热腔体中，所述挤压腔体具有进料口和出料口，所述进料口和出料口均伸出所述加热腔体外；
所述螺杆为中空结构且能够周向旋转，其包括驱动段和工作段，所述工作段位于挤压腔体中，用于在螺杆旋转时与挤压腔体的腔壁配合，以将物料从进料口传送至出料口的同时对物料进行挤压糊化；所述驱动段伸出挤压腔体外且其端部开口，用于与外部蒸汽源相连通，以及与外部旋转驱动机构相连，所述工作段上开设有供蒸汽逸出的通孔。
可选地，所述螺杆的工作段包括杆体和螺旋叶片，所述螺旋叶片设于杆体的外壁上，其包括第一螺旋叶片和第二螺旋叶片，
第一螺旋叶片为挤压螺纹结构，用于在所述螺杆旋转时传送物料，且对物料进行挤压以促进物料糊化，第一螺旋叶片包括多个第一螺旋叶片段在所述杆体上分布；
第二螺旋叶片为刀片螺纹结构，用于在螺杆旋转时传送物料，且对物料进行剪切以促进物料糊化，第二螺旋叶片包括多个第二螺旋叶片段在所述杆体上分布；
多个第一螺旋叶片段和多个第二螺旋叶片段沿物料的传送方向在所述杆体上交替布置。
可选地，所述螺杆杆体的外径沿物料传送方向递增，所述螺旋叶片的牙顶和挤压腔体内壁的间距沿物料传送方向保持一致。
可选地，所述第一螺旋叶片的螺距和牙形高度沿物料传送方向依次递减。
可选地，所述第二螺旋叶片的螺距和牙形高度沿物料传送方向依次递减。
可选地，首个第一螺旋叶片段设于杆体沿物料传送方向的最前段，其对应的杆体长度为整个工作段杆体长度的1/5-1/4。
可选地，所述通孔设有多个，多个通孔呈阵列分布于所述杆体沿物料传送方向的前段，开设有通孔的杆体长度为整个工作段杆体长度的1/3-1/2。
可选地，所述出料口为倒U型管，所述倒U型管位于加热腔体中的部分其长度为倒U型管长度的1/3-1/2。
本发明还提供一种挤压糊化系统，包括旋转驱动机构、蒸汽源和上述的挤压糊化装置，
所述旋转驱动机构与所述驱动段传动相连，用于驱动所述螺杆旋转；
所述蒸汽源与所述驱动段动密封连通，用于向螺杆的内腔中输送蒸汽；
所述蒸汽源还与加热腔体的蒸汽入口相连，用于向加热腔体中输送高压蒸汽。
可选地，所述蒸汽源输送的蒸汽压力为0.4-0.7Mpa。
本发明中，通过将挤压腔体设置在加热腔体中，并将挤压糊化螺杆设置成与蒸汽源相连通的中空结构，挤压腔体内的物料在内外双层蒸汽和螺杆挤压机械能作用下能实现极高的加热速率以及加热均匀度，从而单位流量内的物料糊化度大大增加，因此本发明能在不增加螺杆长度及挤压筒体积的情况下，保证物料糊化度的同时极大地增加产能。
有益效果：
1、本发明中螺杆为中空结构，螺杆前段布满内外相通的小孔，高压蒸汽注入螺杆，高压蒸汽从小孔喷射而出，使挤压腔内淀粉基物料在蒸汽糊化、剪切糊化及旋转摩擦糊化等作用下处理，快速剪切与蒸汽的有机结合，让高温蒸汽能快速与米粉结合，而且高速切换，实现极高的能量传递，增加了单位流量内的物料糊化度，可以在保证物料糊化度的前提下，极大的增加了产能。
2、本发明中螺杆为挤压螺纹与剪切螺纹交替组合，且螺杆直径逐渐增大，螺纹间距及螺槽深度逐渐减小，前段螺杆起到混合输送物料作用，螺杆中剪切刀片螺纹将输送过程中的物料切割为小粒，与喷射出的高压蒸汽快速接触，促进物料在输送阶段的糊化，随着螺杆直径增大，螺纹间距及螺槽深度的减小，输送至螺杆后端的物料进入小流道螺旋，得到充分摩擦，从而彻底熟化糊化，保证了大产能下物料的糊化度。
3、本发明结构合理，性能稳定，挤压强度高，使用寿命长，在不增加螺杆长度及挤压筒体积的情况下，能有效增加淀粉基物料的快速挤压糊化，提高产能，确保高效糊化。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的挤压糊化装置的结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的挤压腔体和其内的螺杆段的剖面示意图。
图中：1、加热腔体；2、挤压腔体；21、进料口；22、出料口；3、螺杆；31、第一螺旋叶片段；32、第二螺旋叶片段；33、通孔；4、机座；5、旋转驱动机构；6、蒸汽压力表。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，属于“上”等指示方位或位置关系是基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于和简化描述，而并不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须设有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“设置”、“安装”、“固定”等应做广义理解，例如可以是固定连接也可以是可拆卸地连接，或者一体地连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供一种挤压糊化装置，其包括：加热腔体、挤压腔体和螺杆；
所述加热腔体具有蒸汽入口和蒸汽出口；
所述挤压腔体位于加热腔体中，所述挤压腔体具有进料口和出料口，所述进料口和出料口均伸出所述加热腔体外；
所述螺杆为中空结构且能够周向旋转，其包括驱动段和工作段，所述工作段位于挤压腔体中，用于在螺杆旋转时与挤压腔体的内壁配合，以将物料从进料口传送至出料口的同时对物料进行挤压糊化；所述驱动段伸出挤压腔体外且其端部开口，用于与外部蒸汽源相连通，以及与外部旋转驱动机构相连，所述工作段上开设有供蒸汽逸出的通孔。
本发明还提供一种挤压糊化系统，包括旋转驱动机构、蒸汽源和上述的挤压糊化装置，
所述旋转驱动机构与所述驱动段传动相连，用于驱动螺杆旋转；
所述蒸汽源与所述驱动段动密封连通，用于向螺杆的内腔中输送蒸汽；
所述蒸汽源还与加热腔体的蒸汽入口相连，用于向加热腔体中输送高压蒸汽。
实施例1：
如图1和图2所示，本实施例提供一种挤压糊化装置，主要用于淀粉基物料的挤压糊化。其包括：机座4、加热腔体1、挤压腔体2和螺杆3。
加热腔体1固定于机座上，是一种中空夹层的加热腔体，具有蒸汽入口和蒸汽出口，蒸汽从蒸汽入口进入加热腔体1中，对挤压腔体2内的物料进行间接加热后，由蒸汽出口连接管道流回蒸汽发生源，以节约能源。
挤压腔体2为加热腔体1的内腔，由加热腔体1的内壁形成，挤压腔体2具有进料口21和出料口22，进料口21和出料口22分设于挤压腔体2沿螺杆3轴向方向的两端，且均伸出加热腔体1外。
螺杆3为中空结构且能够周向旋转，其包括驱动段和工作段，工作段位于挤压腔体2中，用于在螺杆3旋转时与挤压腔体2的腔壁配合，以将物料从进料口21传送至出料口22的同时对物料进行挤压糊化；驱动段伸出挤压腔体2外且其端部有螺杆中空结构开口，用于与外部蒸汽源相连通，以及与外部旋转驱动机构相连，所述工作段上开设有供蒸汽逸出至挤压腔体2内的通孔33。
由此，通过在加热腔体1中形成挤压腔体2，将挤压糊化螺杆3设置成与蒸汽源相连通的中空结构，在加热腔体1和中空螺杆中注入高压蒸汽后，加热腔体1内的高压蒸汽对挤压腔体2内的物料进行间接加热，进入螺杆内的蒸汽从螺杆上的通孔33中喷射而出进入挤压腔体2对物料进行直接加热，挤压腔体2内的物料在上述双层蒸汽作用下能实现极高的加热速率以及加热均匀度，从而物料在蒸汽糊化、剪切糊化及旋转摩擦糊化等多重作用下，单位流量内的物料糊化度大大增加，因此本装置能在不增加螺杆长度及挤压筒体积的情况下，保证物料糊化度的同时极大地增加产能。
具体地，外部旋转驱动机构可包括电动机和齿轮减速传动机构，将电动机与齿轮减速传动机构的输入齿轮传动相连，再将驱动段与齿轮减速传动机构的输出齿轮传动相连，从而电动机启动时可带动螺杆旋转。
再将所述螺杆3驱动段的端部通过管道与外部蒸汽源相连通，驱动段与管道动密封相连，以螺杆能够相对蒸汽连接管道旋转且确保蒸汽不会泄漏。
蒸汽入口前段设有蒸汽压力控制阀，可调节通过加热腔体1的蒸汽压力大小。
本实施例中，工作段包括杆体和螺旋叶片，螺旋叶片设于杆体的外壁上，其包括第一螺旋叶片和第二螺旋叶片，
所述第一螺旋叶片为挤压螺纹结构，用于在螺杆3旋转时传送物料，且对物料进行挤压以促进物料糊化，第一螺旋叶片包括多个第一螺旋叶片段31在所述杆体上分布；
第二螺旋叶片为刀片螺纹结构，用于在螺杆3旋转时传送物料，且对物料进行剪切以促进物料糊化，第二螺旋叶片包括多个第二螺旋叶片段32在所述杆体上分布；
多个第一螺旋叶片段31和多个第二螺旋叶片段32沿物料的传送方向在所述杆体上交替布置。
由此，挤压腔内淀粉基物料在蒸汽糊化、剪切糊化及旋转摩擦糊化等多重作用下处理，尤其是快速剪切与蒸汽的有机结合，能够让高温蒸汽能快速与米粉结合，而且高速切换，实现极高的能量传递，从而进一步增加了单位流量内的物料糊化度。
第一螺旋叶片段31采用本领域常用的挤压螺旋叶片即可。第二螺旋叶片段32可采用在螺旋叶片本体上固定剪切刀片的结构，以实现传送物料的同时将输送过程中的物料切割为小粒。
本实施例中，杆体的外径沿物料传送方向递增，优选按照20：1长径比进行递增，螺旋叶片的牙顶和挤压腔体2腔壁的间距沿物料传送方向保持一致。
本实施例中，第一螺旋叶片的螺距和牙形高度沿物料传送方向依次递减。
本实施例中，第二螺旋叶片的螺距和牙形高度沿物料传送方向依次递减。
也即，在确保螺旋叶片的牙顶和挤压腔体2腔壁的间距沿物料传送方向保持一致，以确保物料能够顺利地传送，不会出现卡堵等现象的前提下，将螺杆工作段设置为直径逐渐增大，螺纹间距及牙形高度逐渐减小的异形螺杆段，前段工作段起到混合输送物料作用，螺杆中带剪切刀片的第二螺旋叶片将输送过程中的物料切割为小粒，使其与喷射出的高压蒸汽快速接触，促进物料在输送阶段的糊化，随着螺杆直径增大，螺纹间距及牙形高度的减小，输送至螺杆后端的物料进入小流道螺旋，得到充分摩擦，从而彻底熟化糊化，从而保证了大产能下物料的糊化度。
本实施例中，首个第一螺旋叶片段31设于杆体沿物料传送方向的最前段，其对应的杆体长度为整个工作段杆体长度的1/5-1/4。物料进入后在此阶段初步糊化且逐步后推进入到后续挤压阶段。
优选地，第一螺旋叶片段31和第二螺旋叶片段32的段数之和为5-7。第一螺旋叶片31对物料实施挤压及后推作用，让物料在挤压力，摩擦力作用下逐步糊化，第二螺旋叶片32对物料实施快速剪切作用，将物料分割为细小凝胶颗粒，受到螺杆孔洞喷射出的蒸汽加热，螺杆的挤压及摩擦力等作用，快速糊化。在5-7段内高产能条件下可达到设定糊化度。
本实施例中，通孔33设有多个，多个通孔33呈阵列分布于杆体沿物料传送方向的前段，开设有通孔33的杆体长度为整个工作段杆体长度的1/3-1/2。通入螺杆中空结构的高压蒸汽在螺杆运转过程中从通孔内高速喷射而出，结合前段挤压及摩擦等力，快速且高效的对淀粉基物料进行糊化。
本实施例中，出料口22为倒U型管，倒U型管位于加热腔体1中的部分其长度为倒U型管长度的1/3-1/2，以进一步糊化和保温，剩余倒U型出口暴露于空气中，以快速冷却降温，促进淀粉基凝胶粘度增加，利于后续挤压成型。
本实施例中，蒸汽源输送的蒸汽压力为0.4-0.7Mpa。通过控制高压蒸汽压力，控制加热腔体1的温度在135-160℃，产能从60-960kg/h，每翻一倍产能，蒸汽压力增加0.1Mpa，相比同等挤压装置，糊化效率提高10-20倍。
实践表明，本实施例的挤压糊化装置，具有结构合理，挤压强度高，使用寿命长，性能稳定，糊化度均匀且产能高等优点。
实施例2：
本实施例提供一种挤压糊化系统，包括旋转驱动机构5、蒸汽源和实施例1的挤压糊化装置。
其中，旋转驱动机构与螺杆3的驱动段传动相连，用于驱动螺杆3旋转。本实施例中，旋转驱动机构包括电动机和齿轮减速传动机构，将电动机与齿轮减速传动机构的输入齿轮传动相连，再将驱动段与齿轮减速传动机构的输出齿轮传动相连，从而电动机启动时可带动所述螺杆3旋转。
蒸汽源与驱动段动密封连通，用于向螺杆3的内腔中输送蒸汽。具体地，驱动段的端部通过管道与外部蒸汽源相连通，驱动段与管道动密封相连，以螺杆能够相对蒸汽连接管道旋转且确保蒸汽不会泄漏。
蒸汽源还与加热腔体1的蒸汽入口相连，用于向加热腔体1中输送高压蒸汽，蒸汽源与加热腔体1连接的管道上设有蒸汽压力表6。
对比实验例：
将市面上常用的单螺杆挤压糊化装置(A装置)和实施例1的挤压糊化装置(B装置)应用于淀粉基物料的挤压糊化，以进行相同产能下的糊化度对比，二者挤压腔大小一致，对比实验过程如下：
A)现有技术挤压糊化装置的主电机50KW，螺杆直径100mm，螺杆的长径比13:1。
物料配方为：米粉75％，玉米淀粉15％，醋酸酯化淀粉10％，物料过80目筛，物料首先进行混合，加水调质至46％。物料进入挤压糊化装置糊化。其中糊化产能设置为60kg/h、120kg/h、240kg/h、480kg/h及960kg/h，经挤压糊化后测定其糊化度。
B)实施例1的挤压糊化装置的主电机50KW，螺杆平均直径为100mm，螺杆的长度与实验A一致；从进料口喂料，挤压腔外的加热腔体1蒸汽夹层内高压蒸汽压力为0.5Mpa，其他条件与实验A一致。实验结果如表1：
表1 A装置和B装置在相同产能下的糊化度对比
Figure BDA0003008067150000101
由结果可知，本发明的淀粉基物料快速挤压糊化装置相较于传统的挤压糊化装置能更有效地糊化淀粉基样品，在较低产能条件下，两种挤压糊化装置均能将原料完全糊化，当产能增加时，传统挤压糊化装置生产的样品糊化度急剧降低，而本发明的快速挤压糊化装置产能达到960kg/h时依然具有极高的糊化度。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种挤压糊化装置，其特征在于，包括：加热腔体(1)、挤压腔体(2)和螺杆(3)；
所述加热腔体(1)具有蒸汽入口和蒸汽出口；
所述挤压腔体(2)位于加热腔体(1)中，所述挤压腔体(2)具有进料口(21)和出料口(22)，所述进料口(21)和出料口(22)均伸出所述加热腔体(1)外；
所述螺杆(3)为中空结构且能够周向旋转，其包括驱动段和工作段，所述工作段位于挤压腔体(2)中，用于在螺杆(3)旋转时与挤压腔体(2)的腔壁配合，以将物料从进料口(21)传送至出料口(22)的同时对物料进行挤压糊化；所述驱动段伸出挤压腔体(2)外且其端部开口，用于与外部蒸汽源相连通，以及与外部旋转驱动机构相连，所述工作段上开设有供蒸汽逸出至挤压腔体(2)内的通孔(33)。
2.根据权利要求1所述的挤压糊化装置，其特征在于，所述螺杆(3)的工作段包括杆体和螺旋叶片，所述螺旋叶片设于杆体的外壁上，其包括第一螺旋叶片和第二螺旋叶片，
第一螺旋叶片为挤压螺纹结构，用于在所述螺杆(3)旋转时传送物料，且对物料进行挤压以促进物料糊化，第一螺旋叶片包括多个第一螺旋叶片段(31)在所述杆体上分布；
第二螺旋叶片为刀片螺纹结构，用于在螺杆(3)旋转时传送物料，且对物料进行剪切以促进物料糊化，第二螺旋叶片包括多个第二螺旋叶片段(32)在所述杆体上分布；
多个第一螺旋叶片段(31)和多个第二螺旋叶片段(32)沿物料的传送方向在所述杆体上交替布置。
3.根据权利要求2所述的挤压糊化装置，其特征在于，所述螺杆(3)杆体的外径沿物料传送方向递增，所述螺旋叶片的牙顶和挤压腔体(2)内壁的间距沿物料传送方向保持一致。
4.根据权利要求3所述的挤压糊化装置，其特征在于，所述第一螺旋叶片的螺距和牙形高度沿物料传送方向依次递减。
5.根据权利要求3所述的挤压糊化装置，其特征在于，所述第二螺旋叶片的螺距和牙形高度沿物料传送方向依次递减。
6.根据权利要求2-5任一项所述的挤压糊化装置，其特征在于，首个第一螺旋叶片段(31)设于杆体沿物料传送方向的最前段，其对应的杆体长度为整个工作段杆体长度的1/5-1/4。
7.根据权利要求2-5任一项所述的挤压糊化装置，其特征在于，所述通孔(33)设有多个，多个通孔(33)呈阵列分布于所述杆体沿物料传送方向的前段，开设有通孔(33)的杆体长度为整个工作段杆体长度的1/3-1/2。
8.根据权利要求1-5任一项所述的挤压糊化装置，其特征在于，所述出料口(22)为倒U型管，所述倒U型管位于加热腔体(1)中的部分其长度为倒U型管长度的1/3-1/2。
9.一种挤压糊化系统，其特征在于，包括旋转驱动机构、蒸汽源和如权利要求1-8任一项所述的挤压糊化装置，
所述旋转驱动机构与所述驱动段传动相连，用于驱动所述螺杆(3)旋转；
所述蒸汽源与所述驱动段动密封连通，用于向螺杆(3)的内腔中输送蒸汽；
所述蒸汽源还与加热腔体(1)的蒸汽入口相连，用于向加热腔体(1)中输送高压蒸汽。
10.根据权利要求9所述的挤压糊化系统，其特征在于，所述蒸汽源输送的蒸汽压力为0.4-0.7Mpa。
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