Экструдер состоит из нескольких основных узлов — корпуса, оснащенного на­гревательными элементами, рабочего органа (шнека, диска, поршня), размещенного в корпусе, узла загрузки перерабатываемого продукта, привода, системы задания и поддержания температурного режима и других контрольно-измерительных и регу­лирующих устройств.

Используемые в пищевой промышленности экструдеры довольно разнообразны по конструктивному оформлению. Но все они имеют формующий элемент – матрицу, которая формой и размерами отверстий определяет поперечное сечение экструдируемого жгута, и нагнетатель, который должен создать в экстругируемой массе необходимое давление для того, чтобы вызвать ее течение через отверстие матрицы с желаемой скоростью.

Матрица (рис. 3) представляет собой плоский металлический диск с отверстиями, через которые продавливается формируемая масса. Форма отверстия матрицы определяет вид изделия. При формировании сплошных изделий форма поперечного сечения отверстий бывает круглая, прямоугольная, квадратная и более сложная. Сложные отверстия с вкладышами применяют при формировании полых изделий.

Материал для матрицы должен быть коррозионно-стойким, обладать антиадгезионными свойствами и высокой прочностью. Для изготовления матриц экструдеров для пищевой промышленности наиболее часто применяют латунь, бронзу, и нержавеющую сталь. Чтобы снизить прилипаемость формуемого продукта, отверстия полируют и хромируют. Широко применяют в настоящее время матрицы, состоящие из металлической обоймы и смежных вставок. Вставки представляют собой смежные гильзы с формующими отверстиями, изготовляются из пластмасс (тефлон, альгофон и др.). Преимуществом таких матриц является возможность при одной и той же обойме сменой вставных гильз получать изделия различного сечения.

Рис.3 Общий вид матрицы

Нагнетатель экструдера может быть периодического действия или непрерывного действия.

Рис. 4 Схемы винтового и гидравлического поршневых нагнетательных устройств периодического действия

На рис. 4 показаны схемы винтового и гидравлического поршневых нагнетательных устройств периодического действия. Подобное устройство представляет собой цилиндр 1, одним из торцов которого является матрица 2 с отверстиями определенной формы. Пуансон 3, приводимый в движение гидравлическим или винтовым устройством, входит в этот цилиндр и вытесняет предварительно заложенное в него тесто.

Среди нагнетателей непрерывного действия распространены шнековый, валковый и шестеренный.

Схемы нагнетателей представлены на рис.5.

Рис. 5 Схемы шнекового и валкового нагнетателей

Выбор типа нагнетателя зависит как от свойств перерабатываемой массы, так и от технологических требований к ее обработке. Приведем общие рекомендации по выбору типа нагнетателя. Поршневые и валковые нагнетатели оказывают щадящее воздействие на перерабатываемый продукт, поэтому их целесообразно использовать для формования масс нежной консистенции. Использование поршневого нагнетателя нецелесообразно при включении экструдера в поточную линию, так как этот нагнетатель периодического действия. Валковые нагнетатели лучше всего применять в машинах без матрицы как каландры (каландрование рассматривается как частный случай экструзии), например в тех случаях, когда необходимо получить полуфабрикат в виде ленты, например для формования сухарных плит, тонких листов теста. Толщина слоя ленты при безматричном формовании определяется расстоянием между формующими валками. Шестеренные нагнетатели целесообразно применять для формования однородных и гомогенных материалов. Их недостатком является пульсация создаваемого давления. Их нельзя использовать для формования масс с твердыми включениями, которые могут разрушаться и измельчаться. Одношкнековые нагнетатели хорошо работают в сочетании с круглой матрицей и являются перспективными для формующих машин в пищевых производствах. Нельзя, однако, считать удачным использование шнекового нагнетателя с прямоугольной матрицей, так как в этом случае невозможно обеспечить равномерность скорости выпрессовывания по ее длине.

Наибольшее распространение в промышленности получили шнековые экструде­ры. Захватывая исходный продукт, шнек перемещает его от загрузочного устройства вдоль корпуса экструдера. При этом продукт сжимается, разогревается, пластифици­руется и гомогенизируется. Давление в экструдере достигает 15… 100 МПа. По час­тоте вращения шнека экструдеры подразделяют на нормальные и быстроходные с окружной скоростью соответственно до 0,5 и 7 м/мин, а по конструктивному испол­нению — на стационарные и с вращающимся корпусом, с горизонтальным и верти­кальным расположением шнека.

Существуют экструдеры со шнеками, осуществляющими не только вращатель­ное, но и возвратно-поступательное движение. Для эффективной гомогенизации продукта на шнеках устанавливают дополнительные устройства — зубья, шлицы, диски, кулачки и др. В последнее время получают распространение планетарно-вальцовые экструдеры, у которых вокруг центрального рабочего органа (шпинделя) вращается несколько дополнительных шнеков (от 4 до 12). Принцип действия диско­вого экструдера основан на использовании возникающих в упруговязком материале напряжений, нормальных к сдвиговым. Основу конструкций такого экструдера со­ставляют два плоскопараллельных диска, один из которых вращается, создавая сдви­говые и нормальные напряжения, а другой неподвижен. В центре неподвижного диска имеется отверстие, через которое выдавливается размеченный материал. Поршневой экструдер из-за низкой производительности используют ограниченно, в основном для изготовления труб и профилей из реактопластов. Конструкции экструдеров могут быть классифицированы также по геометриче­ской форме, механическим, функциональным или термодинамическим характеристи­кам. Кроме того, экструдеры рекомендуется классифицировать по их физическим признакам, поскольку они оказывают влияние на химические структурные характери­стики экструдированных продуктов. Особое значение имеют такие параметры, как уклон режущей кромки матрицы и количество тепловой энергии, образующейся в процессе экструдирования за счет механического преобразования энергии; температу­ра во время ведения процесса; влажность экструдируемой массы.

При переработке пищевых продуктов наибольшее распространение получили экструдеры со шнеками полного зацепления, вращающимися в одном направлении, когда вершины одного шнека взаимодействуют с впадинами другого.

В двухшнековых самоочищающихся экструдерах обеспечиваются более быст­рый пуск шнека и работа на повышенной скорости. В них реже возникают подъемы давления, так как не происходит накопление продукта. В одношнековых экструде­рах, вследствие того, что продукт может оставаться в витках и накапливаться, созда­вая разрывы потока, подъемы давления бывают чаще. В результате продукт из экструдера выпускается неравномерно. Однако предполагается, что в одношнековом экструдере износ шнека концен­трируется по наружной кромке к торцу его витков, и это обеспечивает восстановле­ние шнека.

Двухшнековый экструдер более подвержен износу. Изнашиваются шнеки в мес­тах загрузки и выгрузки продукта. В этой связи свойства конечного продукта и эф­фективность процесса экструдирования в большой степени зависят от износа рабочих органов машины при обработке в двухшнековом экструдере. При использо­вании двухшнекового экструдера не требуется предварительной гидротермической обработки продукта, что упрощает производственный процесс. Гидролиз крахмала пшеничной муки протекает гораздо эффективнее в двухшнековом экструдере, чем в одношнековом. В двухшнековом экструдере зоны пластификации и повышения дав­ления отделены друг от друга, что позволяет независимо осуществлять пластифика­цию и экструдирование продукта. Известно, что затраты, связанные с приобретением одношнековых экструдеров, ниже по сравнению с затратами на при­обретение двухшнековых машин. Однако последние компенсируются меньшими эксплуатационными расходами. Высокие расходы по эксплуатации одношнековых машин связаны с длительными простоями при чистке, большими трудозатратами и объемом работ по обслуживанию. Сравнение конструктивных и технологических достоинств одношнековых и двухшнековых экструдеров показывает значительное преимущество последних.

Материал для матриц должен быть коррозионно-стойким, обладать антиадгези­онными свойствами и высокой прочностью. Чтобы снизить прилипаемость формуе­мого продукта, отверстия полируют и хромируют. Широко применяют в настоящее время матрицы, состоящие из металлической обоймы и сменных вставок. Вставки представляют собой сменные гильзы с формующими отверстиями, изготовляются из пластмасс с сильно выраженными антиадгезионными свойствами. Форма и размер предматричной камеры зависят от свойств перерабатываемого продукта, типа и размеров нагнетающего механизма и должны способствовать выхо­ду выпрессовываемой массы через каналы матрицы с возможно более равномерной скоростью, а также препятствовать образованию застойных зон. Формование экстру­зией имеет ряд преимуществ: непрерывность осуществления процесса с высокой скоростью, безотходность технологии и высокая культура производства.