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干挤压机与湿挤压机 DRY EXTRUDER VS. WET EXTRUDER 谢富弘 博士 美国密苏里大学生物与农业工程学院 前 言 挤压设备可以按热力学或机内压力形成方式加以分类（Rossen and Miller， 1973）。按热力学分类有：（1）自热挤压机（autogenous extruder），在作业过程中 将机械能转变成热能；（2）等温挤压机（isotherma1 extruder），机内保持恒定温 度；（3）多热源挤压机（polytropic extruder），其运转介乎于（1）与（2）的极 端状态之间。按机内压力形成方式分类有：（1）直接或正压移动型（positive displacement type），包括撞杆（或活塞）型挤压机，啮合相对旋转双螺杆挤压机； （2）间接或粘滞牵引型（viscous drag type），包括辊筒挤压机，单螺杆挤压机， 啮向旋转双螺杆挤压机和非啮合多螺杆挤压机。近来还采用另一种不大正式 的分类法,即分为干挤压机和湿挤压机。干挤压机意思是靠摩擦生热作为对制品进 行熟化和脱水的唯一热源；湿挤压机需要将原料进行预调制，注入蒸汽，挤压产 物还需要烘干（Said，1995）。可见，干挤压机实质上是一种自热挤压机，对原料 不进行预调制而是直接进行挤压加工；而湿挤压机是一种多热源挤压机。 挤压设备的一般描述 干挤压机 无论是干挤压机或是湿挤压机，都是由这几个部件组成：动力设备，喂料装置， 螺杆，机镗，模头装置，切刀和出货系统。干挤压机因靠摩擦生热，机镗通常不 加套筒。苛奈挤压机（collet extruder）代表一类特用挤压机，用于将低水分脱胚 玉米或其他谷渣进行熟化和膨化，使之变成叫作苛奈（collets）的碎粒（Harper， 1981）。这种挤压机的螺杆很短（L/D＜3∶1，即长度/直径，下同＝，坡斜度约 6 °，螺杆转速约 300rpm（转/分钟，下同），因而螺杆及螺杆与机镗之间空隙的剪 切率都很高。全部能量投入都来自机械能的消散。这种挤压机要用经过特殊淬火 — 182 — 处理的螺杆和机镗衬垫装配，以保证有较长的使用期，降低维修费用。多数情况 下，制造厂家都能做到在这些部件磨损后进行修补。 已经研制出一些非常简单的自热型或干挤压机，可以尽量少用辅助加工设备而 对全脂整粒大豆进行热处理。其全部热量投入也是来自大的驱动马达的能量转化。 这类挤压机没有机镗套筒和预调制箱，因在干燥状态下进行挤压，挤压过程会产 生热量。所有机器的构型都让操作者便于进行调节，使挤压温度符合配料配方改 变的需要。以 Trip1e F（Des Moines，IA）制造的 Insta—Pro系列挤压机为例（应 当说明，有的型号仍提供可选择使用的预调制箱），示于图 1。机镗和螺杆都是由 部件组成。铸造的螺杆沿中心轴滑动，螺杆之间是大小可变的蒸汽闸或环，其作 用是在螺杆全长上扼流。机镗有一些纵向肋条，还有内设的可更换的加固圈，靠 这些措施降低维修费用。 Insta-Pro挤压机有若干型号。600型的产量是 272-365 kg/hr（公斤/小时，下同）， 即 600—800 1b/hr，马达功率是 37.3kw（千瓦，下同）。2000R型产量是 590—910kg/hr （1300—2000 1b/hr），动力 56kw（75hp，即马力）。2500型产量 900—1350kg/hr (2000 —3000 1b/hr），动力 94kw（125hp）。所有型号的转速都是 540 rpm，配有容积喂 料器，有给水系统用以调整产品含水量，还有一套多样压模和切割装置。 另一种干挤压机是 Brady挤压机，是 Koehring Farm Division（Appleton，WI） 制造的（Harper，1981）。螺杆是用空心管制成，空心管直径 11.4cm，长 86.4cm。 螺旋弹簧式螺片盘绕在空心管上焊接固定。螺杆的螺旋线角都一样，约为 5°，螺 片高度 0.8cm。为扼制螺杆料流，在靠近出料口搅打锭部位的螺片之间焊接几个挡 料圈。 为控制挤压温度，在螺杆出料口装有一个平头圆锥形元件，与一个叫做盅（cup） 的固定元件相匹配，螺杆运转时可以纵向移动以调整这些零部件之间的空隙。这 种挤压机的转速可以是 540rpm，也可以是 1000rpm，物料流量是 550kg/hr，驱动 功率是 75kw。如同投入高机械能的挤压机一样，部件磨损是比较重的。图 2表示 了 Brady挤压机螺杆和机镗的几项，在出料口设有可调环状口。 — 183 — 图 1 Insta-Pro 2000R干挤压机 图 2 Brady 干挤压机设计 — 184 — 湿（或 HTST）挤压熟化机 湿加工的或叫 HTST（high temperature，short time，意思是高温短时）挤压 熟化机可以分为两个主要类别，即单螺杆熟化挤压机和双螺杆熟化挤压机。后者 又进一步分为同向旋转双螺杆挤压机和相对旋转双螺杆挤压机。由于供应各种类 型熟化挤压机的厂家很多，即使是同一类型熟化挤压机，在机械组合和运转特性 方面也可能很不相同。目前上市的各种湿（或 HTST）挤压机及其规格列入附录 （Anon.，1998)。 无论是交流或是直流电动机，都可用来驱动挤压机机镗内的螺杆。电动机可以 小到实验室挤压机的几个马力，也可大到大规模生产挤压食品用的几百马力。大 多数挤压机的电动机都有一个传动和变速装置，可用来调控螺杆转速。螺杆将物 料向压模方向推进，压力可达几百个大气压，因此必须有一个止推轴承，以支持 螺杆使之保持在中轴线上运转，并吸收螺杆产生的推力。 喂料装置由干料喂料器和液体喂料器组成。事先拌匀的干料存于喂料器上方 的料斗或料仓内。喂料器可以是振动喂料器、变速绞龙或减重喂料器。液体配料 通过正压排出泵、可变注孔和可变头或水轮进行计量。如采用预调制处理，则在 一个封闭容器中将干料与水、蒸汽或其他配料混合，必要时可在加压条件下操作。 均匀地喂入干料和液体配料是挤压机进行恒定作业的必要保证。 螺杆可以是整件的，也可以由许多元件在一个轴杆上装配而成。单螺杆挤压机 的螺杆分为喂料区（feed section）、过渡区（transition section）和计量区（metering section）。喂料区的螺片较深，从喂料器接纳配料。在过渡区将配料混合、加热， 使物料连贯一体。因此，过渡区也叫压缩区，物料从松散的粉状变成塑性面团似 的物体。完成这个过程靠的是沿出料方向逐渐降低螺片深度或螺距，并从机镗给 物料加热，物料在运动中也摩擦生热。计量区的螺片变浅，剪切力增大，使物料 在这区段迅速升温。图 3表示了如何变换螺杆和机镗而起到压缩作用的（Harper， 1981）。这些不同的设计在干挤压机和湿挤压机上都可采用。例如，一种 Anderson 湿挤压机采用图中的第 2种螺杆设计，而 Insta—Pro干挤压机采用了第 5种螺杆设 计。 双螺杆挤压机按螺杆旋转方向分为同向旋转和相对旋转，按螺旋啮合深度分为 全啮合、部分啮合和非啮合（Harper，1989；Fichtali and van de Voort，1989）。图 4有全啮合相对旋转和同向旋转螺杆的示意图（Harper，1989）。 — 185 — 全啮合双螺杆的螺片深度与两个螺杆搭接 的距离相等。螺杆设计还有单道（sing1e 1ead）、双道（twin 1ead)和三道（trip1e 1ead) 之分，指的是沿螺杆全长平行排列的螺片数。 为了加强混合，增进机械能向热能转化，通常 采用另一种螺杆设计，即揉合圆盘（kneading disks）。 干挤压机和湿挤压机的机镗与螺杆之间 都是很严密的，用螺栓或夹具将几个部件锁 装在一起。挤压机规格的一个重要参数是 L ／D 比率，就是挤压机机镗长度除以机镗内 径。机镗，特别是机镗衬里，通常都用特殊 的坚硬合金制造，以耐磨损。机镗的内壁可 以是平滑的，也可以刻槽，沟槽可增强挤压 机的压送能力。 干挤压机和湿挤压机的模头装置也都相 似。模头装在机镗末端，模板固定其上，有 时还作为切刀的支撑。模板上可以安装多个 压模，物料从挤压机排出时靠压模成形。压 模是一些细小开口，可以是圆形、环形、裂 缝或特别设计的形状，如字母形或动物形， 等等。 切割这种又热又粘的物料并非易事。挤 压机模具通常使用的切刀有三种：一种是 图 3 螺杆和机镗的压缩方式设计 高速转刀，装在挤压机压模面板的中央 位置；第二种是飞刀，其旋转轴线处于机镗 纵轴线侧面，这比装在中央的转刀有更高的行刀速度通过物料；第三种用于切段 较长或慢速挤压的场合，即截断机切刀（Harper，1981）。 通常在操作开始之前就调整好切刀与压模面板。刀片常以机器螺栓固定在旋 转的切割部件上，刀片位置可以个别调整。有的切刀设计让切头在机器运转时可 以相对于模面移动。另外，有些刀具采用灵活的弹簧钢质刀片，刀片贴在模面上 — 186 — 保持接触。 图 4 双螺杆挤压机分类 挤压熟化的操作 在开始进行干挤压熟化或 HTST挤压熟化加工之前，必须首先将挤压机及有关 设备装配妥当。调紧所有的紧固件，将所有部件校直找平。如有关于扣环螺栓转 距的详细说明，应当用手螺距扳头严格按说明调整。机镗和螺杆装配之后，应当 用手转动螺杆确认能运动自如。然后将模板及其模具用螺栓固定在挤压机机镗末 端，装上旋转切刀，将刀片调节到能够利落地切出成品，同时还要注意延长刀片 使用期。然后按要求给机镗接上水和蒸汽通路。蒸汽通路上的凝结水必须清除。 检查所有的喂料器和调整器。如果干料喂送使用的是容积式喂料器，应当事先计 算好每批饲料的原材料喂入量。图 5所示是典型的Werner & Pf1eiderer挤压熟化系 统。 为了尽量减少起动阶段的浪费，要让熟化挤压机尽快进入作业条件和平衡状 态。将机镗和模板预热到所要求的作业温度可达此目的。然后将水泵按作业速度 — 187 — 1.5倍的速度起动，水一进入机镗即慢速起动挤压机和喂料物流。令螺杆和喂料加 速，同时逐渐将水流速度降到作业水平。当机镗和压模达到稳定的作业温度时， 调节水流速度、喂料速度和螺杆转速，使之能在中度扭矩水平（电机负载的 90% 或更低）生产制品。 图 5 Werner & Pfleiderer 双螺杆挤压系统 与起动操作一样，HTST 熟化挤压机的停车操作也必须依次进行。首先逐渐 提高水流速度，让未熟化的物料将已熟化物料赶出机外。令机镗温度降下来以停 止熟化反应，这样可以防止停机后烧焦。在百分率负载计的读数低于 25%时，降 低螺杆转速，关掉挤压机，并关掉喂料器水泵，然后逐步仔细地卸下模板，松开 螺栓，因模板后面可能仍有一定的压力（Hsieh 1991）。 （刘瑞征 翻译） — 188 — 参考文献 Anon.1998.Extruder Directory. Feed Tech.2（2）：32-39. Fichtali，J.and van de Voort，F.R. 1989. Fundamental and practical aspects of twin screw extrusion. CereaI Foods World，34(11):921. Harper，J.M. 1981. Extrusion of foods， Vo1.I &II， CRC Press， Boca Raton , FL. Harper, J . M . 1989 . Food extruders and their applications. In: Extrusion Cooking , C. Mercier, P. Linko and J. M. Harper, Eds. , AACC, St. Paul,MN . Hsieh. F. 1991. Extrusion and extrusion cooking. In: Encyclopedia of Food Science and Technology, PP. 794-800, Y. H. Hui, Ed. , Wiley-Interscience , New York,NY. Rossen, J . L . and Miller, R . C . 1973 . Food extrusion. Food Technol. , 27(8):46. Said, N. W. 1995. Feed extrusion. Insta-Pro international, a Division of Triple “F” , Des Moines, IA. — 189 —