انجام شبیه سازی اکسترودر

انجام شبیه سازی اکسترودر (Extruders) نیازمند دانستن روش تجربی آن هم هست که در ادامه به توضیح مختصر آن میپرداریم. دانه ها را به صورت آرد آسیاب کنید، سپس آب و فشار را اضافه کنید تا خمیر درست شود و سپس آن را خرد کرده و بجوشانید. به نظر می رسد ماکارونی چیزهای بسیار ابتدایی است. و با این حال، به نظر می رسد چیزی در مورد آن الهام بخش خلاقیت باشد، و نه فقط در آشپزخانه. ما هم دوست داریم درباره آن قصه بگوییم. آیا تا به حال شنیده اید که مارکوپولو ماکارونی را در قرن سیزدهم در چین کشف کرد و سپس آن را به ایتالیا معرفی کرد؟ این درست نیست، زیرا ماکارونی بر پایه گندم قبلاً در روم و یونان باستان خورده می شد.

قانون متعادل کننده رئولوژی پاستا

چه در حال تولید نودل باشیم و چه آنها را به عنوان شام درست کنیم، باید تنش ها را بین عناصر مکمل متعادل کنیم. دانه هایی که از آنها آرد ماکارونی تهیه می شود حاوی نشاسته و پروتئین هستند. برای درست کردن خمیر به آرد آب اضافه می کنیم و با دست یا ابزار هم می زنیم. رطوبت و تنش های اضافه شده در این فرآیند یک پودر مرطوب را به یک لکه چسبناک و کشدار تبدیل می کند.
خمیر ماکارونی خام ممکن است یکنواخت به نظر برسد، اما نشاسته و پروتئین های تشکیل دهنده آن به طور یکنواخت توزیع نشده اند. این مولکول‌های متنوع به تعیین رئولوژی خمیر ماکارونی کمک می‌کنند، که چگونگی جریان و تغییر شکل خمیر ماکارونی را در پاسخ به رطوبت، تنش مکانیکی و گرما توضیح می‌دهد. چه خمیر به عنوان غذای سرگرم کننده یا کمپانل به پایان برسد، رئولوژی خمیر تحت تأثیر نحوه کار با آن در هر مرحله از تولید قرار می گیرد.

چگونه اکسترودرها مواد را به نودل تبدیل می کنند

وقتی ماکارونی را از ابتدا درست می کنیم، می توانیم خمیرمان را بر اساس ظاهر و حس آن تنظیم کنیم. در اینجا کمی آب اضافه کنید، سپس کمی ورز دهید. هنگامی که ماکارونی در مقیاس صنعتی ساخته می شود، چنین تنظیم رئولوژیکی عملی دیگر گزینه ای نیست. یک کارخانه نودل از ماشین هایی مانند اکسترودر برای مخلوط کردن و ورز دادن خمیر ماکارونی خام استفاده می کند. در زیر نمونه ای از طراحی معمولی اکسترودر پاستا آورده شده است.
قلب یک اکسترودر پیچ یا کرم اکستروژن است که یک محور چرخان است که با یک تیغه پیچ مانند ترکیب شده است. (به نوعی شبیه یک رشته فرنگی غول پیکر است!) آب و آرد به سمت چپ طرح اکسترودر تصویر شده وارد می شود. همانطور که کرم اکستروژن می چرخد، مواد را به سمت راست وادار می کند. گرما، حرکت و فشار ایجاد شده توسط حرکت کرم، مخلوط را به خمیر تبدیل می‌کند و سپس از سوراخ‌هایی در نازل خروجی تصویر در سمت راست دستگاه عبور می‌کند. برای ایجاد اشکال مختلف رشته فرنگی، می توان ضمائم را در خروجی نصب کرد و دستگاه های دیگر محصول نهایی را برش داده و خشک می کنند.میتوانید برای آموزش کامسول  اقدام کنید.

مشکلات بالقوه فرآیند اکستروژن

به منظور انجام شبیه سازی اکسترودر با وجود اینکه صدها سال است که ماکارونی توسط ماشین‌های مشابه ساخته می‌شود، این فناوری هنوز تا کامل بودن فاصله دارد. مطالعه‌ای توسط محققان دانشگاه ناپل (مرجع 2) اشاره می‌کند که فرآیند اکستروژن شامل «پدیده‌های پلیمریزاسیون پیچیده‌ای است که توسط ترکیبی از فشار و دما هدایت می‌شود». مشکلاتی که ممکن است در داخل اکسترودر رخ دهد عبارتند از:

اختلاط ناقص آرد و آب
توزیع فشار نابرابر و سرعت اکستروژن
گردش ضعیف خمیر، که می تواند باعث تشکیل قالب شود
این مشکلات می تواند بر ظاهر و طعم محصول نهایی تأثیر بگذارد یا حتی خوردن آن را ناامن کند. برای کمک به پیش‌بینی شرایطی که می‌توانند چنین مسائلی را ایجاد کنند، می‌توانیم فرآیند اکستروژن پاستا را با استفاده از نرم‌افزار COMSOL  مدل‌سازی کنیم.

مدلسازی توزیع ناهموار حرارت و سرعت و آموزش comsol

مدل آموزشی موجود در COMSOL  نسخه 6.0 نحوه مدل‌سازی جریان غیر گرمایی خمیر را از طریق اکسترودر ماکارونی نشان می‌دهد. این مدل را می توان برای پیش بینی چگونگی تاثیر شرایط داخل اکسترودر بر محصول نهایی استفاده کرد. آموزش ایجاد تجسم های نوع Schlieren در کامسول را از اینجا بخوانید.

به دلیل افزایش دما، ایجاد شده توسط هم زدن مکانیکی، ویسکوزیته خمیر ماکارونی با حرکت در اکسترودر کاهش می یابد.
نتایج شبیه سازی از مدل اکسترودر اثرات ترکیبی گرما و تنش برشی روی خمیر را نشان می دهد. گرمایش ویسکوز در جایی که نرخ برش بیشتر است، بیشتر است، که در جایی رخ می دهد که سطح پیچ با دیواره بیرونی برخورد می کند. گرمای تولید شده در نزدیکی دیوار به طور مداوم در یک مسیر مارپیچ به سمت خروجی اکستروژن هدایت می شود. از آنجایی که خمیر نازک می شود، ویسکوزیته با افزایش سرعت برش کاهش می یابد. ویسکوزیته نیز با افزایش دما کاهش می یابد. این اثرات غیریکنواخت توزیع شده منجر به تغییرات تقریباً مرتبه ای در ویسکوزیته می شود. قسمت هایی از خمیر نزدیک به وسط تیغه، جایی که برش را می شود.

اینستاگرام کامسول پروژه