Математичне моделювання течії розплаву в конусно-кільцевому каналі матриці екструдера

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2024.290692

Ключові слова:

математична модель, FlowVision, комбікорм, конусно-кільцевий канал, матриця екструдера

Анотація

Особливістю роботи є розробка математичної моделі течії розплаву в конусно-кільцевому каналі матриці екструдера, яка дозволить підібрати оптимальну геометричну форму кільцевого каналу, а також кутову швидкість обертання шнека екструдера. Об'єктом дослідження є конусно-кільцевий канал матриці екструдера.

Для вирішення тривимірної задачі турбулентного і ламінарного нестаціонарного руху був використаний програмний комплекс FlowVision, що дозволяє вирішувати диференціальні рівняння в частинних похідних методом скінченних об'ємів. Правильний вибір геометричної форми кільцевого зазору дозволив змінити молекулярну структуру продукту за рахунок створення максимального значення тиску. Оптимально підібрана кутова швидкість обертання шнека екструдера дозволила здійснити глибоке розплавлення продукту за рахунок перетворення механічної енергії шнека в теплову енергію.

В процесі проєктування формоутворення конусно-кільцевого каналу були обрані три області зміни геометрії штампа, на межах переходу яких спостерігалися крайні точки. Відхилення між аналізованими та експериментальними значеннями швидкості та тиску були виявлені в межах 9–12 % та 17–22 % відповідно.

На основі аналізу отриманих результатів моделювання руху розплаву продукту в конусно-кільцевому каналі матриці екструдера були виявлені оптимальна геометрична форма кільцевого зазору і рекомендована кутова швидкість обертання шнека екструдера.

Запропонована математична модель лягла в основу розробленої конструкції шестизонного екструдера. В екструдері були обгрунтовані і підібрані геометричні характеристики шнека (змінний крок витків), які забезпечують максимальний ефект розсіювання, тобто автогенний режим роботи

Біографії авторів

Abdymanap Ospanov, Kazakh National Agrarian Research University

Doctor of Technical Sciences, Professor

Department of Technology and Food Safety

Aigul Timurbekova, Kazakh National Agrarian Research University

Candidate of Technical Sciences, Professor

Department of Technology and Food Safety

Dulat Zhalelov, Kazakh National Agrarian Research University

Master of Technical Sciences, Senior Lecturer

Department of Technology and Food Safety

Посилання

  1. Alimkulov, Zh. S., Veliamov, M. T., Fazylova, K. N., Shauliyeva, K. T., Bektursunova, M. J. (2020). Optimization mathematical models of raw material crushing in the production of compound feeds based on enriching feed concentrate. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Food and Biotechnology, 8 (2), 29–36.
  2. Borovsky, A. Yu., Kizatova, M., Sultanova, M., Abdrakhmanov, H. (2019). Mathematical foundations of the technological process of obtaining combined feeds. Actual problems of modernity, 3, 155–159.
  3. Enayati, S., Ayoub, A. (2018). Applying Mathematical Optimization To Efficiently Make Better Decisions for Extrusion Technology: State-of-the-Art and Opportunities. Biomass Extrusion and Reaction Technologies: Principles to Practices and Future Potential, 243–260. https://doi.org/10.1021/bk-2018-1304.ch013
  4. Malik, M., Kalyon, D. M., Golba, J. C. (2014). Simulation of Co-Rotating Twin Screw Extrusion Process Subject to Pressure-Dependent Wall Slip at Barrel and Screw Surfaces: 3D FEM Analysis for Combinations of Forward- and Reverse-Conveying Screw Elements. International Polymer Processing, 29 (1), 51–62. https://doi.org/10.3139/217.2802
  5. Wu, K., Sun, Y., Peng, B., Ding, W., Wang, S. (2013). Modeling and experiment on rotary extrusion torque in ring-die pelleting process. Nongye Gongcheng Xuebao/Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 29 (24), 33–39. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-6819.2013.24.005
  6. Chaturvedi, E., Rajput, N. S., Upadhyaya, S., Pandey, P. K. (2017). Experimental Study and Mathematical Modeling for Extrusion using High Density Polyethylene. Materials Today: Proceedings, 4 (2), 1670–1676. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2017.02.006
  7. Nahemiah, D. (2016). Application of Response Surface Methodology (RSM) for the Production and Optimization of Extruded Instant Porridge from Broken Rice Fractions Blended with Cowpea. International Journal of Nutrition and Food Sciences, 5 (2), 105. https://doi.org/10.11648/j.ijnfs.20160502.13
  8. Atukuri, J., Odong, B. B., Muyonga, J. H. (2019). Multi‐response optimization of extrusion conditions of grain amaranth flour by response surface methodology. Food Science & Nutrition, 7 (12), 4147–4162. https://doi.org/10.1002/fsn3.1284
  9. Kizatova, M. Y., Sultanova, M. Zh., Borovsky, A. Y., Muslimov, N. Zh., Nokusheva, Z. A., Aitzhanov, Y. S. (2020). Mathematical planning of a multi-factor experiment and optimization of the feed extrusion process. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 994, 012022. https://doi.org/10.1088/1757-899x/994/1/012022
  10. Schittny, A., Ogawa, H., Huwyler, J., Puchkov, M. (2018). A combined mathematical model linking the formation of amorphous solid dispersions with hot-melt-extrusion process parameters. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics, 132, 127–145. https://doi.org/10.1016/j.ejpb.2018.09.011
  11. Ostrikov, A., Ospanov, A., Vasilenko, V., Muslimov, N., Timurbekova, A., Jumabekova, G. (2019). Melt flow of biopolymer through the cavities of an extruder die: Mathematical modelling. Mathematical Biosciences and Engineering, 16 (4), 2875–2905. https://doi.org/10.3934/mbe.2019142
  12. Adekola, K. A. (2016). Engineering Review Food Extrusion Technology and Its Applications. Journal of Food Science and Engineering, 6 (3). https://doi.org/10.17265/2159-5828/2016.03.005
  13. Mushtruk, M., Gudzenko, M., Palamarchuk, I., Vasyliv, V., Slobodyanyuk, N., Kuts, A. et al. (2020). Mathematical modeling of the oil extrusion process with pre-grinding of raw materials in a twin-screw extruder. Potravinarstvo Slovak Journal of Food Sciences, 14, 937–944. https://doi.org/10.5219/1436
  14. Kushnir, V., Gavrilov, N., Kim, S. (2017). Experimental Studies on Grain Material Extruding Process. Procedia Engineering, 206, 1611–1617. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.10.686
  15. Lela, B., Musa, A., Zovko, O. (2014). Model-based controlling of extrusion process. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 74 (9-12), 1267–1273. https://doi.org/10.1007/s00170-014-6054-6
  16. Gomes, K. S., Berwian, G. F., Batistella, V. M. C., Bender, L. E., Reinehr, C. O., Colla, L. M. (2022). Nutritional and Technological Aspects of the Production of Proteic Extruded Snacks Added of Novel Raw Materials. Food and Bioprocess Technology, 16 (2), 247–267. https://doi.org/10.1007/s11947-022-02887-0
  17. Xu, M., Zhang, X., Zhang, Y., Wang, J., Li, J., Hu, Y. et al. (2023). Effect of screw speed, temperature and moisture on physicochemical properties of corn gluten meal extrudate. Journal of the Science of Food and Agriculture, 103 (12), 5782–5790. https://doi.org/10.1002/jsfa.12649
  18. Okunola, A. A., Dottie, E. P., Moses, O. I., Adekanye, T. A., Okonkwo, C. E., Kaveh, M. et al. (2023). Development and Process Optimization of a Ready-to-Eat Snack from Rice-Cowpea Composite by a Twin Extruder. Processes, 11 (7), 2159. https://doi.org/10.3390/pr11072159
  19. Altan, A., Yağci, S. (2023). Physicochemical characteristics and structural changes of fermented faba bean extrudates prepared by twin-screw extrusion. Food Chemistry, 411, 135502. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2023.135502
  20. Bachurina, M., Kazakov, A., Trufanova, N. (2014). Mathematical modelling of stratified flow of polymer melts in an axisymmetric formulation. PNRPU Mechanics Bulletin, 2, 102–124. https://doi.org/10.15593/perm.mech/2014.2.05
  21. Ostrikov, A. N., Afanasiev, V. A., Frolova, L. N., Nesterov, D. A., Sizikov, K. A. (2021). Pat. RF No. 2750158. Extruder.
Математичне моделювання течії розплаву в конусно-кільцевому каналі матриці екструдера

##submission.downloads##

Опубліковано

2024-02-28

Як цитувати

Ospanov, A., Timurbekova, A., & Zhalelov, D. (2024). Математичне моделювання течії розплаву в конусно-кільцевому каналі матриці екструдера. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1(7 (127), 83–98. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2024.290692

Номер

Том 1 № 7 (127) (2024): Прикладна механіка

Розділ

Прикладна механіка

Ліцензія

Авторське право (c) 2024 Abdymanap Ospanov, Aigul Timurbekova, Dulat Zhalelov

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.