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Heat and mass transfer in a single screw extruder for non-Newtonian materials

1992; Elsevier BV; Volume: 35; Issue: 1 Linguagem: Inglês

10.1016/0017-9310(92)90022-k

1879-2189

Suhas Badakere Gopalakrishna, Yogesh Jaluria, Mukund V. Karwe,

Polysaccharides Composition and Applications

Numerical simulation of the transport processes arising in a single screw extruder for non-Newtonian fluids such as plastics and food is considered. The study is directed mainly at simulating the heat and mass transfer inside the screw channel, for a power-law fluid. Moisture is taken as the species for mass transfer, since it is of particular interest in food processing. Finite difference computations are carried out to solve the governing set of partial differential equations for the velocity, temperature and moisture fields, over a wide range of governing parameters. The variation of viscosity with temperature and moisture is taken into account. The basic physical approach for modeling the complicated heat and mass transfer processes for inelastic non-Newtonian materials is outlined. As an application of this analysis to starchbased food systems, the reactive nature of the food constituents is incorporated by including the rate of reaction (gelatinization) between moisture and food. Results are presented in terms of the velocity, temperature and moisture concentration contours. Strong viscous dissipation effects are found to arise for typical operating conditions. The moisture contours indicate that starch gelatinization typically occurs first at the screw root. The effect of the various governing parameters on pressure build-up within the extruder channel is determined and discussed in terms of the underlying physical processes. Experimental validation of some of the numerical results has been carried out, and the comparisons are quite good. Results are also presented for the residence time distribution (RTD), an important design parameter in extrusion. Though this study considers moisture transport, the basic approach presented may easily be extended to reactions and mass transfer of other species in polymers and in other non-Newtonian materials. On considère la simulation numérique des mécanismes de transport dans une vis d'extrusion des fluides non Newtoniens tels que les plastiques et les aliments. L'étude simule les transferts de chaleur et de masse dans le canal de la vis, pour un fluide à loi-puissance. L'humidité est prise en compte. Les calculs aux différences finies traitent le système d'équations aux dérivées partielles pour les champs de vitesse, de température et d'humidité, dans un large domaine des paramètres. On tient compte de la variation de la viscosité avec la température et l'humidité. En application de cette analyse, on incorpore la nature réactive des constituants du produit en incluant la vitesse de réaction (gélatinisation) entre l'humidité et le produit. Les contours d'humidité montrent que la gélatinisation se produit d'abord à la base de l'hélice. Une validation expérimentale de quelques résultats numériques a été conduite et les comparaisons sont assez satisfaisantes. On présente des résultats pour la distribution des temps de résidence (RTD), un paramètre important dans l'extrusion. A travers le transfert d'humidité, l'approche présentée peut atre étendue facilement aux réactions et au transfert de masse d'autres espèces dans les polymères et d'autres matériaux non Newtoniens. Die Transportvorgänge in einem Einschraubenextruder für nicht-Newton'sche Fluide wie Plastik und Lebensmittel werden numerisch untersucht. Die Untersuchung richtet sich hauptsächlich auf die Simulation des Wärme- und Stoffübergangs in einem Schraubenkanal für ein “Power-law”-Fluid. Der Stofftransport von Feuchtigkeit wird betrachtet, da er bei der Nahrungsmittelverarbeitung von besonderem Interesse ist. Der Satz der grundlegenden partiellen Differentialgleichungen für Geschwindigkeit, Temperatur und Feuchtigkeit wird mit Hilfe eines Finite-Differenzen-Verfahrens in einem weiten Parameterbereich gelöst. Dabei wird die Abhängigkeit der Viskosität von Temperatur und Feuchtigkeit berücksichtigt. Das grundlegende physikalische Vorgehen bei der Modellierung der komplizierten Vorgänge des Wärme- und Stofftransports bei nicht elastischen nicht-Newton'schen Materialien wird gezeigt. Die Reaktionsfreudigkeit der Nahrungsmittelbestandteile wird als Anwendung dieser Untersuchungen für Nahrungsmittelsysteme auf Stärkebasis durch die Bestimmung des Reaktionsgrades zwischen Feuchtigkeit und Nahrungsmittel (Gelierung) ermittelt. Als Ergebnisse werden Kurvenverläufe für Geschwindigkeit, Temperatur und Feuchtigkeitskonzentration angegeben. Bei typischen Betriebsbedingungen tritt eine starke viskose Dissipation auf. Die Feuchteverteilung zeigt, daβ die Gelierung von Stärke typischerweise zuerst am Schraubenfuβ auftritt. Der Einfluβ unterschiedlicher Parameter auf den Druckaufbau im Extruderkanal wird bestimmt und auf der Grandlage der physikalischen Vorgänge diskutiert. Einige der numerischen Ergebnisse werden experimentell bestätigt—die Übereinstimmung ist recht gut. Zusätzlich werden Ergebnisse für die Verweilzeitverteilung vorgestellt, die einen wichtigen Auslegungsparameter bei der Extrusion darstellt. Obwohl diese Untersuchung sich mit dem Feuchtigkeitstransport beschäftigt, kann die grundlegende Vorgehensweise leicht auf Reaktion und Stoffübergang anderer Stoffe in polymeren und anderen nicht-Newton'schen Materialen ausgedehnt werden. чиcлeNNo MoдeлиpuюTcя пpoцeccы пepeNoca B oдNoBиNToBoM экcTpuдepe. пpиMeNяcMoM для Taкич NeNьюToNoBcкич зидкocTeй кaк плacTMaccы N пищeBыe пpoдuкTы. 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