WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

Pages:   || 2 |

«СУХОРУКОВ ДМИТРИЙ ВИКТОРОВИЧ РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНОГО СМЕСИТЕЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ С ОРГАНИЗАЦИЕЙ НАПРАВЛЕННОГО ДВИЖЕНИЯ МАТЕРИАЛЬНЫХ ПОТОКОВ 05.18.12 Процессы и аппараты ...»

-- [ Страница 1 ] --

Министерство образования Российской Федерации

ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой

промышленности»

На правах рукописи

СУХОРУКОВ ДМИТРИЙ ВИКТОРОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНОГО

СМЕСИТЕЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО

ДЕЙСТВИЯ С ОРГАНИЗАЦИЕЙ НАПРАВЛЕННОГО ДВИЖЕНИЯ

МАТЕРИАЛЬНЫХ ПОТОКОВ

05.18.12 «Процессы и аппараты пищевых производств»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Бородулин Дмитрий Михайлович Кемерово –

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………….

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА НЕПРЕРЫВНОГО

СМЕСЕПРИГОТОВЛЕНИЯ И ЕГО АППАРАТУРНОГО

ОБЕСПЕЧЕНИЯ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)… ………………………... 1.1 Общие основы процесса смешивания…………………………….. 1.2. Аппаратурное оформление процесса смешивания дисперсных материалов……………………………………………………………… 1.3. Методики определения пылевоздушных потоков………………. Результаты и выводы по главе…………………………………………

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА

СМЕШИВАНИЯ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ

КИБЕРНЕТИЧЕСКОГО ПОДХОДА …………………………………. 2.1 Моделирование смесительного агрегата центробежного типа на основе кибернетического подхода ……………………………………. Результаты и выводы по главе………………………………………...

ГЛАВА 3. АППАРАТУРНОЕ И МЕТОДОЛОГИЧЕСКОЕ ОФОРМЛЕНИЕ

ПРОЦЕССОВ СМЕШИВАНИЯ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ...

3.1. Описание лабораторного стенда ………………………………… 3.2. Дозировочное оборудование стенда…………...……………….. 3.3 Обоснование новых конструкций смесителей непрерывного действия ……………………………………………………………….. 3.3.1 Центробежный смеситель с осевым вентилятором ……........ 3.3.2 Центробежный смеситель с гибким шнеком….…………… 3.3.3 Центробежный смеситель с направляющим диффузором …. 3.3.4 Универсальный центробежный смеситель …




3.4 Методика определения концентрации ключевого компонента в смеси …………………………………………………………………. 3.5 Методика определения сыпучести материалов………………….. 3.6 Методика определения картины распределения пылевоздушных потоков в аппарате……….………………………… Результаты и выводы по главе. ………………………………………. ГЛАВА 4. СЫПУЧЕСТЬ МАТЕРИАЛОВ …….……………………………….. 4.1. Исследование сыпучести материалов ………...………………… Результаты и выводы по главе………………………………………..

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ И РЕЖИМНЫХ

ПАРАМЕТРОВ ЦЕНТРОБЕЖНОГО СМЕСИТЕЛЯ

НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ ……………………………..………. 5.1 Исследование картины распределения пылевоздушных потоков в рабочей камере смесителя ………………………………………...... 5.2 Исследование универсального центробежного смесителя …….. Результаты и выводы по главе……………………...………............... ГЛАВА 6. ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ……………………………… 6.1 Аппаратурное оформление процесса производства сухих завтраков……………………………………………………………….. 6.2 Аппаратурное оформление процесса производства сухих витаминизированных киселей ……………………………………….. Результаты и выводы по главе……………………...………............... ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ………………………… СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………………… ПРИЛОЖЕНИЯ……………………………………………………………………

ВВЕДЕНИЕ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Необходимость обогащения продуктов питания биологически ценными компонентами вызывает неблагоприятная экологическая обстановка во многих регионах страны, включая Кузбасс.

Актуальна проблема получения многокомпонентных смесей заданного качества с определенными микробиологическими показателями в молочной промышленности. В хлебопекарной промышленности остро стоит задача получения продуктов, обогащенных биологически ценными элементами (производство смесей с подсластителями, витаминно-минеральными добавками, производство пшеничных и кукурузных хлопьев, соевой муки, сухого соевого молока).

Аналогичные проблемы стоят и перед другими отраслями промышленности, такими как: строительная (производство сухих смесей), фармацевтическая (производство витаминов, таблеток, цементов для лечения остеопорозных позвонков), химическая (производство различных красителей), агропромышленность (производство пищевых добавок).

Организация процесса смешивания в центробежных смесителях является одним из основных факторов, влияющих на качество получаемой продукции. Так как на больших частотах вращения ротора центробежного смесителя высокодисперсные компоненты (витамины, минеральные вещества, биологические добавки и другие энергетически ценные компоненты), входящие в состав смеси в минимальном количестве (1% и менее) поднимаются в пылевоздушное пространство над ротором, в результате чего происходит сегрегация получаемой смеси, негативно сказывающаяся на ее качестве.

Определение направления и величин скоростей воздушных и материальных потоков внутри рабочей камеры центробежного смесителя помогает организовать требуемое движение пылевоздушных потоков для повышения эффективности процесса смешивания при получении однородных по составу композиций заданного качества. Поведение частиц материала и воздушных потоков внутри рабочей камеры смесителя заключается в следующем.





центробежной, действует еще и сила аэродинамического сопротивления воздуха.

В результате этого частицы материала попадают в вихревое движение и находятся в вихревом потоке до момента выхода из аппарата. Процесс смешивания в вихревых потоках осуществляется из-за трения нижних слоев материала о поверхности ротора и в дальнейшем, о поверхности стенок смесителя. Так как воздух обладает определенной вязкостью, то его слои, прилегающие к внутренней поверхности вращающегося ротора, под действием сил вязкостного трения, также вовлекаются во вращение. На них начинают действовать аналогичные силы, что и на частицы компонентов смеси. Сыпучие материалы вовлекаются в движение и образуют высокодисперсный пылевоздушный поток, имеющий турбулентный характер, вследствие сил аэродинамического сопротивления воздуха. Это явление вносит стохастичность в движении компонентов в рабочем объеме смесителя, приводящее к нарушению предусмотренных в конструкции аппарата направлений движения материалопотоков и к другим отрицательным эффектам, например к сегрегации – процессу сосредоточение частиц, имеющих одинаковые свойства в определенных местах объема аппарата, что значительно ухудшает качество получаемого продукта.

Несмотря на то, что в области смешивания проведён большой объём исследований, из-за существенного увеличения спроса на смесители центробежного типа, остаются недостаточно изученными вопросы, касающиеся повышения эффективности и интенсивности непрерывных процессов смешивания; изучения направления и скоростей пылевоздушных потоков для создания их направленного движения с целью повышения качества конечного продукта. В настоящее время, ведущими учеными в области смесеприготовления, не изучено влияние воздушных потоков на качество смеси. Поэтому исследование направления и скорости движения составляющих воздушного потока в рабочей камере центробежного смесителя является актуальной научной проблемой, которая представляет практический интерес для различных отраслей производства.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами НИР ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности», грантом Министерства образования и науки РФ «Повышение эффективности получения однородных по составу сыпучих композиций в центробежном смесителе за счет изучения скорости высокодисперсных воздушных потоков и организации их направленного движения». Научным руководителем которой, является академик АТН РФ, профессор Иванец В. Н.) Цель работы. Разработка новых конструкций эффективных смесителей непрерывного действия центробежного типа с организацией направленного движения материальных потоков для получения сухих многокомпонентных смесей, определение рациональных параметров работы смесителя непрерывного действия (СНД) на основе математического моделирования и экспериментальных исследований.

Задачи исследований. В соответствии с поставленной целью в настоящей работе решались следующие основные задачи:

теоретическое и экспериментальное обоснование новых конструкций СНД центробежного типа для производства различных сыпучих смесей, обогащения их витаминами, минеральными веществами и микроэлементами;

математическое описание процесса смешивания в центробежных смесительных агрегатах на основе кибернетического подхода;

- исследование и определение численных значений сыпучести различных пищевых материалов и их смесей, определение критериального уравнения процесса смешивания, позволяющего определить мощность аппарата и охарактеризовать отношение сыпучести материала к силам инерции в его тонкослойном потоке;

- исследование картины распределения материальных потоков на различных конструкциях ротора нового СНД центробежного типа;

- исследование смесителя центробежного типа с целью определения его рациональных конструктивных и технологических параметров работы, обеспечивающих стабильность качества готовой продукции;

- проведение промышленных испытаний новых конструкций центробежного СНД в составе технологических схем производства витаминизированных киселей, сухих завтраков.

непрерывнодействующего смесительного агрегата центробежного типа на основе кибернетического подхода, позволяющая проанализировать возможность получения смесей заданного качества с учетом влияния внешних факторов.

Предложен критерий сыпучести, позволяющий описать поведение различных сыпучих материалов, под действием сил инерции. Проведены исследования влияния материальных потоков внутри аппарата на качество получаемых смесей.

Найдены рациональные конструкционные и технологические параметры СНД, при которых получаются смеси заданного качества.

Практическая значимость и реализация. Результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса смешивания сыпучих материалов позволили разработать три новые конструкции СНД центробежного типа.

Разработано аппаратурное оформление технологической линии процесса непрерывного смешивания, включающее в свой состав центробежный СНД новой конструкции в технологических схемах производства сухих завтраков, витаминизированных киселей на ООО НПО «Здоровое питание» г. Кемерово.

Результаты диссертационной работы используется в учебном процессе на кафедре процессов и аппаратов пищевых производств ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» при подготовке бакалавров и магистров по направлению 15.04.00 «Технологические машины и оборудование»

На защиту выносятся: математическое описание процесса непрерывного смешивания внутри СНД центробежного типа; результаты экспериментальных исследований получения смесей сыпучих материалов в новых конструкциях СНД центробежного типа; результаты исследований сыпучести пищевых материалов;

картина распределения материальных потоков внутри аппарата.

Объектом исследования являлись новые конструкции эффективных СНД центробежного типа для получения качественных смесей с соотношением компонентов 1:100 и выше.

конструктивных, технологических и режимных параметров работы СНД центробежного типа; выявление закономерностей, влияющих на качество смешивания пищевых материалов.

Апробация работы: Основные положения, изложенные в диссертационной работе, были представлены и обсуждены на: ежегодных международных научных конференциях Кемеровского технологического института пищевой промышленности (2010-2013); VII конференции молодых ученых и специалистов научно-исследовательских институтов отделения хранения и переработки сельскохозяйственной продукции Россельхозакадемии, 2013; Инновационном конвенте «Кузбасс: образование, наука, инновации», Кемерово, 2013;

Современные проблемы гуманитарных и естественных наук. Материалы ХV международной научно-практической конференции, Москва, 2013;

Международной научно-практической конференции «Современные проблемы гуманитарных и естественных наук», Институт стратегических исследований, 2013; «Science, Technology and Higher Education», Materials of the II international research and practice conference Vol. II, Science and Technology», Materials of the IV international research and practice conference Vol. I, Munich, Germany, 2013; «Science, Technology and Higher Education», Materials of the III international research and practice conference, Westwood, Canada, 2013; «Science and Education», Materials of the IV international research and practice conference Vol. I, Munich, Germany, 2013.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 работах, из которых 6 публикаций в журналах, рекомендованных ВАК, 4 публикации в зарубежных изданиях, 1 патент РФ. Подано три заявки на получение патента РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы и приложений; включает рисунков, 26 таблиц. Основной текст изложен на 128страницах машинописного текста, приложения – на 23. Список литературы включает 100 наименований.

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА НЕПРЕРЫВНОГО

СМЕСЕПРИГОТОВЛЕНИЯ И ЕГО АППАРАТУРНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ (ОБЗОР

В первой главе рассмотрено оборудование для производства многокомпонентных сухих смесей и проанализирована технология процесса смесеприготовления сыпучих материалов.

1.1 ОБЩИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА СМЕШИВАНИЯ

Процесс смешивания широко применяется в различных отраслях производства: в пищевой промышленности - для образования эмульсий и суспензий, однородных смесей сыпучих материалов и других сплошных сред, для интенсификации процессов тепло- и массообмена; в химической промышленности – при производстве различных химических добавок; в сельскохозяйственной отрасли производства – при получении комбикормов и удобрений; в фармацевтической промышленности – при производстве костных цементов, лекарственных препаратов, премиксов, БАД; в строительном производстве – для получения сухих строительных смесей; при производстве композиционных материалов.

Процесс перемешивания сыпучих материалов можно охарактеризовать как пространственное перемещение частиц двух и более компонентов во всем смешиваемом объеме, с целью получения однородной по составу, физикомеханическим и другим свойствам среды, при помощи импульса, передаваемого компонентам смеси механической мешалкой [38].

Важнейшей характеристикой, которую необходимо учитывать при процессе смешивания сухих компонентов, является сыпучесть материалов. Это сложная комплексная величина, которая зависит от нескольких физических показателей:

плотность, гранулометрический состав, форма и характер поверхности частицы.

Композиции, состоящие из двух и более сыпучих компонентов, используются в различных отраслях промышленности. Наибольшее распространение получили смеси с размером частиц от 1 до 100 мкм. Несмотря на широкое применение сыпучих материалов и их смесей, явление «сыпучести» изучено не достаточно глубоко. Численные значения сыпучести различных материалов довольно затруднительно найти в справочных материалах ввиду их отсутствия. Также, проблематично найти универсальные зависимости, позволяющие математически описать и спрогнозировать процесс смешивания сыпучих материалов. В связи с этим определение сыпучести и величин факторов, влияющих на её значение, является актуальным для всех отраслей промышленности, использующих сыпучие материалы.

Смешивание сыпучего сырья характеризуется несколькими отличительными особенностями в отличие от подобных процессов, происходящих с газами и жидкостями. Для примера, отличительная способность сыпучих материалов заключается в том, что они представляются в виде совокупности твердых макрочастиц, а газ и жидкость представляются в виде отдельных атомов и молекул [61, 93, 97]. В результате этого, для проведения процесса смешения, нужно, приложить значительные внешние силовые воздействия, которые позволяют частичкам перемешиваемых компонентов передвигаться относительно друг друга.

Известны случайный и упорядоченный методы, которые обеспечивают смешивание компонентов: [40, 65, 66]. Случайный метод заключается в том, что сыпучие материалы, которые занимают определенный объем, перемешиваются под влиянием внешнего силового воздействия, вызванного хаотичным перемещением макрообъемов и отдельных частиц. При упорядоченном методе смешивания, рабочий орган аппарата также упорядоченно смешивает изначально заданные компоненты в некоторых объемах. Два эти методики отличаются некоторыми своими преимуществами и недостатками. При случайном методе происходит произвольная подача сыпучих компонентов, но при этом требуются осуществляется непрерывная, согласованная и равномерная подача двух или нескольких компонентов в одно и тоже место. Этого труднодостижимо, если соотношение смешиваемых компонентов составляет 1:50 и более. В реальных условиях, как правило, применяют оба метода совместно, при этом один из них преобладает над другим, исходя из требуемой степени равномерности распределения смешиваемых компонентов в объеме получаемой смеси.

На производстве процесс смешения выполняется для осуществления одной из ряда задач[24, 47, 56, 68]:

характеристикой;

- снижение вариаций характеристик материала и конечного продукта (усреднение получаемого продукта);

- повышение поверхности фазового контакта.

распределения исходного материала во всем объеме смеси. Следует отметить, что это идеализированное распределение частиц материала в реальности не случается, за счет того, что присутствует большое количество параметров, влияющих на характер их взаимного движения, в результате от этого зависит характер смешения в конечном результате. В перемешивании компонентов на уровне микрообъемов существует бесконечное множество взаимных расположений частиц сырья. В этих случаях соотношение компонентов в любой произвольной точке продукта является случайной величиной [94]. Исходя из этого, большинство нынешних методик оценки характера смешивания опираются на методы статистических анализов. При оценке качества процесса смешивания одной случайной величиной, условно принято считать смесь двух компонентной. С этой целью из смеси выделяют главный компонент, называющийся ключевым, оставшиеся компоненты объединяются во второй условный компонент – основной [96, 99]. О качестве получаемой смеси судят по степени распределения ключевого компонента в композиции. Результатом этого случайная величина (Х) в двух компонентном материале зависит от содержания ключевого компонента в микрообъёмах сырья.

распространение получил так называемый коэффициент неоднородности, который определяется из следующей зависимости.

где S – среднеквадратическое отклонение количества ключевого компонента в образце;

Скомпонента в образцах, %;

Сi – величина концентрации ключевого компонента в i-ом образце, %;

n- количество образцов [21, 35, 63].

В практических условиях процесс смешивания проходит либо периодически, либо в непрерывном режиме. При периодическом процессе смесеприготовления, предлагается применение случайной методики смешения, описанной выше, и включающего в свой состав следующие стадии: загрузка компонентов в смеситель, их смешивание и выгрузка. При периодическом режиме смешивания загрузка исходных материалов производится дозаторами в соответствии с рецептурой смеси либо одноразово, либо поэтапно.

Во время периодического способа смешивания сыпучих материалов происходит протекание трех элементарных процессов: конвективного смешивания, диффузионного смешивания, сегрегации. Все эти элементарные процессы, в принципе, протекают одновременно, однако их скорость в различные мгновения времен различны, а следовательно, различна и характер воздействия на качество смешения.

Во время конвективного смешивания осуществляется перераспределение макрообъемов компонентов во всем объеме получаемой смеси. Вследствие чего происходит значительное снижение ее неоднородности.

В результате диффузионного смешивания происходит перемешивание как микрообъемов, так и ряда различных частиц материала друг относительно друга.

Повышение качества смешивания для данного случая происходит значительно Продолжительность осуществления диффузионного перемешивания, в силу этого, в основном и характеризует длительность всего процесса смешивания.

Под понятием «сегрегация» понимается процесс, обратный смешиванию.

Суть этого процесса заключается в том, что частицы одинаковой массы сосредоточиваются в некоторых областях смесителя при ряде силовых воздействии: гравитационные силы, инерционные и т. п. Воздействие сегрегации значительно влияет на качество смеси, в зависимости от характера проведения процесса смешения. Скорость процесса смешения и сегрегации выравниваются в какой-то определенный момент времени, и наступает динамичное равновесие. В связи с этим дальнейшая обработка не влияет на качество конечной смеси.

периодическому способу смешивания. В этом случае происходит совмещение случайного и упорядоченного методов смешивания. За счет подачи исходных компонентов в аппарат при помощи дозаторов, как правило, применяют упорядоченный метод смешивания. В самом смесителе перемешивание подающегося в него материала преобладает за счет случайного характера. В результате чего относительно непродолжительного периода обработки материала в рабочей зоне аппарата, в устройстве смесителя с принудительным механическим смешением, значительное влияние оказывает конвективная величина. Следует отметить, что в смесителе непрерывного действия (СНД) с тонкослойным перемещением сырья величина скорости диффузионного смешения значительно увеличивается. Эта особенность ведет к повышению качества конечного продукта, вследствие чего использование подобных конструкций СНД является наиболее целесообразным.

Как во время непрерывного, так и во время периодического способа смешивания. Качество получаемого продукта зависит от наличия в смеси микрои макронеоднородностей. Образование микронеоднородностей обусловлено незавершенностью процесса диффузионного смешивания, а так же явлением сегрегации. Также на присутствие этого явления в продукте влияет и соотношения подаваемых компонентов, которые, к тому же, может различаться по гранулометрическому составу. В тех случаях, когда соотношение исходных компонентов достаточно мало (примерно 1:10 и ниже), то наиболее качественные смеси получаются в тех случаях, при которых гранулометрические составы будут примерно одинаковы. Однако, при увеличении соотношения подаваемых материалов, к примеру, 1:100, смесь с хорошим качеством получается гораздо сложнее. Исходя из этого, материалы, составляющие смесь в небольшом объеме, при большем количестве подаваемых компонентов, должны обладать повышенной дисперсностью. Следует учитывать обстоятельства, при которых большие различия гранулометрического состава подаваемого материала будут при процессе смешения влиять на проявление сегрегации. В результате чего, микронеоднородность конечного продукта можно наблюдать при исследовании образцов небольшого объема, за счет того, что в больших образцах они изменяются.

Незавершенный процесс смешения, сегрегации, флуктуации входных питающих потоков во время непрерывного перемешивания обуславливается наличием макронеоднородностей в конечном продукте, в то время как усредненная концентрация веществ в разных областях смеси различается от целевой по рецептуре. Зачастую этот недостаток происходит во время смешивания сыпучего сырья на СНД, при соотношении материалов в продукте составляет 1:50 и больше. Это отмечалось выше, что в данном случае тяжело соблюсти непрерывное, организованное и равномерно распределенное дозирование исходного сырья. В большинстве случаев ряд материалов приходится дозировать в СНД порционными дозаторами. Что, в основном, и создает неоднородность состава конечного продукта на выходе из аппарата в различные промежутки времени, т.е. макронеоднородности. В результате чего, модификации СНД необходимо обладать хорошей сглаживающей способностью флуктуаций входящих потоков.

Для расчета дисперсии продукта следует учитывать ошибку измерения ее состава из-за экспериментальной погрешности и взаимной независимости макронеоднородности:

где - дисперсия, определённая при исследовании смеси;

s2 - дисперсия, вызванная вариацией средней концентрации ключевого компонента в разных областях смеси;

-дисперсия, вызванная вариацией концентрации ключевого компонента относительно локальных средних концентраций;

- дисперсия, за счет экспериментальных ошибок при исследовании качества смеси.

В итоге можно сделать вывод, что качество продукта зависит от ряда факторов:

- отклонение фактической концентрации компонентов в разных областях конечного продукта от усредненной;

- неравномерности дозирования исходного материала в аппарат при непрерывном смесеприготовлении;

- присутствие в смеси конгломератов материала.

Главной проблемой процесса смешения является изготовление качественных смесей с высоким соотношением смешиваемых компонентов (1:100, 1:500 и выше)

1.2 АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ПРОЦЕССА СМЕШИВАНИЯ

ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ.

В настоящее время в производстве сухих смесей, в различных отраслях промышленности, преимущественно применяют смесители периодического действия различных типов: барабанные, центробежные, червячно-лопастные. При этом используемые технологические линии и оборудование морально устарели и не в состоянии производить продукцию заданного качества. Это связано, в первую очередь, с увеличением темпа жизни современного человека, с постоянно растущими потребностями в экологически чистых продуктах высокого качества.

Это говорит о необходимости разработки новых конструкций аппаратов, удовлетворяющих современным требованиям. Многолетний опыт работы многих исследователей позволил сформировать целые классы аппаратов, позволяющих производить смеси сыпучих материалов [25, 45, 50, 55, 68].

В различных отраслях промышленного производства наиболее распространенным типом оборудования являются механические смесители, процесс смешивания материалов в которых происходит за счет механического воздействия различных по конструкции и конфигурации рабочих органов.

В результате такого механического воздействия на сыпучие материалы происходит относительное движение слоев, псевдоожижение материалов, диспергирование частиц и конгломератов. Наиболее распространенной особенностью механических смесителей является вращение рабочих органов (дисков, лопастей, мешалок, шнеков, конусов и т.д.).

Наиболее подходящими аппаратами для производства сухих композиций с большим соотношением (1:500 и выше) смешиваемых компонентов являются центробежные смесители непрерывного действия (СНД). Их преимуществами над производительность, сравнительно малая энерго- и материалоёмкость [10, 45, 50, 52, 70Классификация непрерывнодействующих ЦС представлена в виде таблицы 1.1.

Таблица 1.1 - Классификация центробежных смесителей непрерывного действия Смесители с ротором в виде простых тел вращения Смесители с ротором сложного конуса Смешивание сыпучих компонентов внутри центробежных смесителей (ЦС) осуществляется, как правило, в пространстве тонких разряженных слоев, которые движутся по поверхности вращающегося ротора, при пересечении потоков, имеющих различное направление, их соударение с препятствиями и т.д.

Рабочие органы центробежных СНД (роторы и статоры) являются, как правило, простыми телами вращения (дисками, цилиндрами, полыми усеченными конусами), гораздо менее распространены тела, имеющие более сложный профиль поверхности (параболоиды, торовые и сферические оболочки). Также, могут применяться лопасти, диспергирующие ножи и т.д. Нами предложено, условно, разделять центробежные СНД на аппараты с вертикальным и горизонтальным расположением ротора.

Объектами наших исследований являлись СНД центробежного типа с вращающимся ротором. Одним из таких аппаратов, реализующих центробежный способ смесеприготовления является прямоточный смеситель конструкции А.М.

Ластовцева (рисунок 1.1) [9].

Работа центробежного прямоточного смесителя осуществляется следующим образом. Сыпучие компоненты, которые необходимо смешать, сначала дозируются, а затем поступают через штуцера 6 непрерывным потоком внутрь корпуса смесителя, там они попадают на поверхность первого конуса 3. Потоки материала поднимаются вдоль внутренней поверхности конуса 3 и сбрасываются с него в виде пылевидного факела под действием центробежных сил инерции.

Частицы материала, ударяясь о стенку корпуса смесителя, оседают на неподвижную коническую течку 5 и высыпаются на поверхность вращающегося конуса 3, расположенного ниже. Затем процесс повторяется.

Между конусами 3 и корпусом смесителя, в кольцевом пространстве, создаются вращающиеся вихри из взвешенных в воздухе частиц материала.

Смешивание частиц разных компонентов осуществляется на вращающихся конусах 3, в вихревых потоках и при осаждении по течкам.

Рисунок 1.1 - Центробежный прямоточный смеситель конструкции А.М.

1-цилиндрический корпус, 2- вал, 3- конусы, 4- радиальная лопасть, 5-конические пересыпные течки, 6- штуцера, 7-люк, 8-электродвигатель Однородность сыпучей композиции, получаемой в смесителе, зависит от различных факторов, таких как: точность дозирования, производительность, число секций, скорость вращения вала, физико-механические свойства смешиваемых компонентов.

Пропускная способность (производительность) центробежного прямоточного смесителя определяется такими параметрами, как: размер конусов, площадь кольцевого сечения между наружной кромкой конуса и внутренней стенкой корпуса и физико-механические свойства смеси.

Время пребывания материала внутри смесителя исчисляется секундами, вследствие чего он имеет большую удельную производительность при небольших энергетических затратах.

Сглаживающая способность смесителя крайне низкая, так как объем одновременно находящегося в смесителе материала очень невелик. Вследствие подобной характеристики смесителя значительно повышаются требования к используемым дозаторам: их точность должна быть не выше ±2%.

Сглаживающую способность представленного центробежного прямоточного смесителя возможно повысить путем установки в его верхней части секций накопителя с определенным запасом материала. Материал в секции может перемешивать лопастная мешалка, которая устанавливается на приводном валу смесителя. Излишки смешиваемого материала из секций накопителя в нижние секции с конусами пересыпается через трубы, которые установлены внутри корпуса смесителя.

Также, известен смеситель «Интолетер» [ 3 ], к о т о р ы й используется в тех случаях, когда необходимо совместить операции смешения и дробления.

Принципиальная схема этого смесителя показана на рисунке 1.2.

В верхней части корпуса смесителя 1 размещен ротор, состоящий из нижнего диска 2, жестко соединенного с верхним диском 3 штырями 4. На крышке корпуса смесителя установлен вертикальный двухскоростной фланцевый электродвигатель 5, на выходном валу которого насажена ступица ротора.

Обрабатываемые материалы непрерывно загружаются через штуцера 7. В них имеются пазы для заслонок, с помощью которых можно регулировать подачу компонентов в смеситель. Смеситель «Интолетер» работает следующим образом.

Через загрузочные штуцера смешиваемые компоненты подаются на распределительный конус 6, откуда они попадают на нижний диск ротора 2, вращающийся с большой скоростью. Под действием центробежной силы частицы с возрастающей скоростью отбрасываются к периферии дисков. Наталкиваясь на первый ряд штырей 4, частицы изменяют траектории движения, соударяются друг с другом, наталкиваются на второй ряд штырей 4 и снова перераспределяются.

Сброшенные с диска частицы ударяются о стенки корпуса 1 и по спиральной траектории опускаются в направлении к выгрузному отверстию. Согласно закону сохранения количества движения частица в узкой части корпуса имеет большую скорость, чем в широкой. Вследствие этого достигается турбулизация потока частиц на выходе из смесителя и, следовательно, создаются условия для дополнительного их перемешивания.

1 - корпус смесителя, 2 - нижний диск ротора, 3 - верхний диск ротора, 4 – штыри, 5 - вертикальный двухскоростной фланцевый электродвигатель, Известен каскадный лопастной смеситель центробежного действия конструкции МИХМа [2]. Он представлен на рисунке 1.3. В смесителях этого типа смешиваемый материал псевдожижается быстровращающимся ротором (а иногда и газом), вследствие чего он интенсивно циркулирует по внутреннему их объему. В некоторых конструкциях смесителей центробежного действия внутренний объем разбит на отдельные секции, через которые проходит последовательно поток материала. Они могут быть также составлены из отдельных периодически действующих смесителей с быстровращающимися роторами, соединенных переточными трубопроводами в единую цепочку.

Рисунок 1.3 - Каскадный лопастной смеситель центробежного действия 1 - входные патрубки, 2 - цилиндрических секций, 3 - лопастная мешалка, 4 – общий вал, 5 - переточные патрубки, 6 - приемный бункер, 7 - перепускное отверстие, 8 - отражательные лопатки, 9 – вставки, Состоит он из вертикально расположенных друг над другом однотипных цилиндрических секций внутренние полости которых соединены последовательно в каскад посредством переточных патрубков 5. Внутри каждой секции находится смонтированная на общем валу 4 лопастная мешалка 3 с углом атаки 54°. В каждой секции имеются отражательные лопатки 8 и перепускное отверстие 7, расстояние нижней кромки которого от дна можно менять установкой различных по высоте вставок 9. Наличие комплекта вставок позволяет регулировать по необходимости запас материала в каждой секции. Все отверстия прикрыты коробками 10. Питающий поток материала с дозаторов через входные патрубки 1 поступает в первую секцию, где он с помощью мешалки 3 переводится в псевдоожиженное состояние. Поток материала через перепускное отверстие 7 по переточному патрубку 5 поступает в следующую секцию, где подвергается аналогичному воздействию. Готовая смесь из последней секции поступает в приемный бункер 6. Вращение лопастного вала 4 происходит через клиноременную передачу, от электродвигателя. Для этого на лопастной вал насажен шкив 11. Привод лопастного вала может быть верхним или нижним. В первом случае электродвигатель закрепляют на подставке, установленной на крышке смесителя, а во втором — или на раме смесителя (на рисунке 1.3 рама не показана), или на отдельной сварной подставке.

В каждой секции имеются отражательные лопатки 8 и перепускное отверстие 7, расстояние нижней кромки которого от дна можно менять установкой различных по высоте вставок 9. Наличие комплекта вставок позволяет регулировать по необходимости запас материала в каждой секции. Все отверстия прикрыты коробками 10.

Качество смеси, приготовленной в таком смесителе, определяется интенсивностью разноса вещества по объему каждой секции и распределением времени пребывания отдельных частиц в них. Время пребывание можно регулировать при помощи комплекта вставок, которые различны по высоте, тем самым регулировать накопительную способность в каждой секции.

Для того, чтобы увеличить эффективность работы центробежного смесителя необходимо повысить его сглаживающую способность и создать более тесный контакт перемешиваемых материалов за счет формирования разреженного состояния. Этим требованиям наиболее удовлетворяет центробежный смеситель (рисунок 1.4) [72], который был спроектирован в лаборатории кафедры ПАПП КемТИПП.

Рисунок 1.4 - Центробежный смеситель непрерывного действия:

1 – корпус, 2 - первая перегородка, 3 – днище, 4 – патрубок, 5 – камера, 6 - загрузочные патрубки, 7 – крышка, 8 – подшипник, 9 – вал, 10,11,12 – первый пакет конусов, 13 – второй пакет конусов, 14 – первая втулка, 15 – вторая втулка, 16 - накопитель, 17 – ворошитель, 18 - диафрагма, 19 - диск, 20 – лопасти, 21 – электродвигатель, 22 – ремень Смеситель работает следующим образом. Исходные компоненты смеси поступают в загрузочные патрубки 6, далее по камере 5 и первой перегородке 2 с ползают к вращающимся стенкам первого пакета конусных роторов. Сыпучий материал, под действием центробежных сил инерции, уже некоторым образом смешанный на конусной перегородке и образующей ротора, поднимается в виде тонких слоев вдоль внутренних поверхностей конусов 10 – 12, затем он сбрасывается последовательно с меньшего конуса 10 на следующую конусную перегородку, по которой сползает к среднему ротору 11. После сброса со стенок ротора 11 процесс повторяется по отношению к внешнему ротору 12.

Пройдя все конуса, смесь поступает в накопитель 16, где материал дополнительно перемешивается при помощи ворошителя 17. Смешиваемые компоненты через центральное отверстие поступают на диск 19, где под действием центробежных сил сбрасываются с его поверхности и скользят поконической поверхности пересыпной течки к следующему пакету конусов 13, где процесс повторяется. Через центральное отверстие происходит выход готовой смеси на днище 3 и ее последующая выгрузка из смесителя лопастями 20 через патрубок 4.

Регулирование накопительной способности осуществляется изменением отверстия диафрагмы 18, установленной в донной части накопителя, варьирование которой определяет постоянные времени в составе передаточной функции аппарата.

Центробежный смеситель с лопастями [75] является устройством для непрерывного производства сыпучих смесей и предназначено для использования в пищевой, химической и других областях производства. Эскиз смесителя приведен на рисунке 1.5.

Центробежный смеситель сыпучих материалов содержит вертикальный цилиндрический корпус 1, крышку 2, на которой установлен питатель 3 с загрузочными патрубками 4, приводной вал 5, с закрепленными на нем разгрузочными лопастями 6 и ротором 7, выполненным в виде диска, к которому прикрепленны концентрично расположенные полые усеченные конуса 8, 9, 10, высота и угол наклона образующей к основанию которых увеличиваются от центральной части к периферии. Окна 11 расположены на рабочих поверхностях внутреннего и среднего конусов, которые снизу ограничены поверхностью диска.

Направляющие лопасти 12 установлены на внутренних поверхностях среднего и внешнего конусов спиралевидно, и имеют ряд отверстий и профиль дуги круга.

Благодаря такой конструкции осуществляется движение материалопотоков в тонких разреженных пересекающихся слоях с организацией направленных интенсифицировать за счет того, что на внутренней поверхности среднего и внешнего конусов установлены спиралевидно направляющие лопасти, которые имеют ряд отверстий и профиль дуги круга.

Рисунок 1.5 – Центробежный смеситель с лопастями:

1 - корпус, 2 - крышку, 3 – питатель, 4 - загрузочные патрубки, 5 - приводной вал, 6 - разгрузочные лопасти, 7 - ротором, 8, 9, 10 - полые усеченные конусы, Вследствие этого создается значительное разрежение опережающих потоков, также создается контур обратной рециркуляции потоков материала, значительно снижается количество застойных зон в различных областях ротора, а также осуществляется дополнительная турбулизация смешиваемых компонентах, что способствует лучшему взаимопроникновению частиц.

На рабочих поверхностях внутреннего и среднего конусов расположены окна 11. На внутренних поверхностях среднего и внешнего конусов спирально расположены направляющие лопасти 12.

Благодаря спиральному расположению направляющих лопастей на внутренних поверхностях среднего и внешнего конусов, имеющих ряд отверстий и профиль дуги круга, происходит интенсификация процесса смешения. Как следствие, обеспечивается достаточно значительное разрежение опережающих потоков, создается обратная рециркуляция материальных потоков, снижается количество застойных зон в различных областях рабочего органа, происходит создание дополнительной турбулизации смешиваемых компонентов, способствующей наиболее эффективному взаимодействию частиц. Лопасти возвращают часть смеси обратно в рабочую зону за счет отверстий, через которые часть материала возвращается обратно, что увеличивает накопительную способность смесителя.

Дозатор - смеситель [76] относится к средствам механизации животноводства и используемый при производстве различных кормовых сыпучих смесей. Эскиз дозатора-смесителя приведен на рисунке 1.6. Увеличение качества кормовых смесей происходит за счет того, что дозатор-смеситель состоит из бункера 1, установленного вертикально и разделенного на сектора заслонками, юбки 2, установленной телескопически на нижнем окончании бункера, зафиксированной в осевом направлении, диска 3, диаметр которого больше диаметра юбки, закрепленного неподвижно относительно бункера и установленного ниже юбки, приводного вало 4, скребков 5, взаимодействующих с диском, и воронки 6, превышающей диаметральный размер диска, размещенного под ней.

Заслонки соединены друг с другом с помощью верхнего и нижнего направляющих колец, которые проходят через отверстия, выполненные в заслонках. Установка диска относительно бункера осуществляется с помощью соосной ему трубы, жестко связанной с бункером посредством одной из заслонок, остальные заслонки относительно бункера зафиксированы винтами, пропущенными через выполненные на верхнем окончании бункера секториальные пазы и ввернутыми в бобышки, выполненные на заслонках.

Кроме того, на дозаторе-смесителе установлена дополнительная воронка, причем основная воронка жестко связана с бункером и на ее раструбе находятся окна, а дополнительная воронка жестко связана с основной и размещена под ней.

На приводном валу под горловиной основной воронки установлен рассеиватель усеченный конус, а в горловине дополнительной воронки установлены наклонные пластины, направленные книзу свободными концами, размещенными на разных уровнях.

1 - бункер, 2 - юбка, 3 - диск, 4 - приводной вал, 5 - скребки, 6 – воронка Центробежный смеситель с кольцевым диском [5] является устройством непрерывного действия, предназначенный для пищевой, химической и других отраслей производства. Эскиз смесителя приведен на рисунке 1.7.

Рисунок 1.7 – Центробежный смеситель с кольцевым диском:

1 – корпус, 2 – ротор, 3, 4 – диски, 5 - стержни, 6 – перегородка, 7, 8 – патрубки, 9 – диск, 10 – лопасти, 11 - осадительная камера, 12 - разгрузочный В смесителе рециркуляция смеси обеспечивается при помощи воздушного потока, создаваемого ротором. Через загрузочные патрубки 7 и 8 поступают исходные компоненты, которые падают в междисковое пространство вращающегося ротора 2. Под действием центробежных инерционных сил происходит отбрасывание частиц сыпучих материалов к периферийной части диска 4 и их ударение о стержни 5, соединяющие диски ротора. После столкновения со стержнями, происходит изменение траектории движения частиц и перераспределение их в общем материальном потоке. Часть сыпучего материала, сброшенного с диска ротора, вовлекается в воздушные циркулирующие потоки, которые создаются с помощью кольцевого диска 9 с изогнутыми лопастями 10. Благодаря таким воздушным потокам происходит движение частиц в центральную область смесителя, расположенную ниже ротора, и последующим отбрасыванием их обратно к стенке ротора 1. Эти движущиеся частицы компонентов смеси, ссыпающейся с диска 4 ротора, обеспечивают рециркуляцию в разряженных потоках.

Выход готовой смеси из аппарата осуществляется сквозь зазор, имеющий кольцевую форму, между корпусом 1 и перегородкой 6 с последующим выводом через патрубок 12 в осадительной камере 11.

Недостатком данной конструкции является необходимое требование к материалам смеси обладать приблизительно одинаковым дисперсным составом и плотностью частиц, в противном случае происходит возникновение явления сепарации.

Известен центробежный смеситель с турбулизатором [77], приведенный на рисунке 1.8.

Рисунок 1.8 – Центробежный смеситель с турбулизатором:

1 – корпус, 2 - крышка, 3 – патрубок, 4 - разгрузочная лопасть, 5 – конус, 6 турбулизатор, 7 - разгрузочный патрубок, 8 – окна Работает смеситель следующим образом.

Через патрубок 3 исходные компоненты подаются на вращающийся турбулизатор 6, который имеет форму полого тонкостенного конуса, имеющего окна 8 треугольного профиля. Под воздействием центробежных инерционных сил части материальных потоков попадают на стенки крышки 2, а другие проходят через окна турбулизатора и попадают на внутреннюю поверхность конуса 5.

Затем, происходит движение сыпучих материалов, под действием центробежных инерционных сил от центральной части конуса 4 к его периферии вдоль конической поверхности. Также, как и на турбулизаторе 6, осуществляется разделение на потоки, по средством установленных на конусе ротора окон 8.

Внутри смесителя за счет многократного пересечения потоков, падающих с поверхностей турбулизатора и ротора, обеспечивается интенсивное смешение материалов и весьма хорошая сглаживающая способность. Выход готовой композиции из смесителя происходит с помощью разгрузочной лопасти 4 через патрубок 7.

Центробежный смеситель с параболоидным ротором [78] приведен на рисунке 1.9.

Рисунок 1.9 – Центробежный смеситель с параболическим ротором:

1 – корпус, 2 – крышка, 3 - загрузочное устройство, 4 – разгрузочное Конструкция работает следующим образом. Подача компонентов смеси в смеситель осуществляется через загрузочное устройство 3. Затем частицы материала падают в центр ротора 5 - тела вращения с образующей, состоящей из нескольких сопряженных параболических кривых. Смешение компонентов происходит аналогично процессу смешивания в вышеописанных конструкциях.

Однако, благодаря оригинальной конструкции ротора исключается образование застойных зон, которые могут находиться в рассмотренных ранее аппаратах, в местах соединения диска ротора с усеченными конусами. Следует отметить, что в рассматриваемом смесителе не решена проблема сглаживания флуктуации потоков.

Повышение качества смешивания за счет увеличения времени пребывания компонентов на рабочих поверхностях смесителя, достигается в центробежном смесителе [73] рисунок 1.10.

1 – корпус, 2 – крышка, 3 - приемная воронка, 4 - ротор, 5 - внутренний конус, 6 - средний конус, 7 – внешний конус, 8 – внутренний конус, 9 – разгрузочный патрубок, 10 - окна, 11 - отражатель, 12 – винты Работа смесителя происходит следующим образом. Подача сыпучих компонентов осуществляется дозаторами через загрузочные патрубки. Материал движется по поверхности приемной воронки 3, попадая на внутренний конус вращающегося ротора 4. Затем потоки матерала, под действием центробежных сил, движутся от центра к периферии по внутренней поверхности конуса 5. Часть смеси, благодаря опережающему потоку, проходит через окна 10, после чего движется на внутреннюю поверхность среднего конуса 6. При этом, эта часть объединяется с потоками материала, падающими с верхнего основания конуса 5.

На среднем конусе 6 процесс повторяется. Также, над ротором произведена установка отражателя 11, выполненного в виде архимедовой объемной спирали, Благодаря такому конструктивному решению обеспечивается рециркуляция получаемой смеси на каждом конусе. Создаваемые опережающие потоки и рециркуляция смеси хорошо сглаживают флуктуации входных потоков. К недостаткам рассматриваемого смесителя можно отнести непостоянную пропускную способность окон 10 и сильную зависимость от частоты оборотов ротора и свойств исходных материалов.

Устранение данного недостатка происходит путем расположения окон в нижней части конусов, в СНД, рисунок 1.11 [7].

Работа смесителя осуществляется следующим образом. Подача сыпучих материалов осуществляется дозаторами через патрубки 4. Затем материал попадает на внутреннюю поверхность направляющей воронки 2, скользит по ней и ссыпается в зазор между отверстием воронки и валом 7, попадая на диск ротора.

На поверхностях внутреннего и среднего конусов ротора, под действием центробежных инерционных сил, происходит равномерное распределение компонентов смеси, сразу по трем конусам, благодаря расположенным на них окнам 13. Таким образом, материал частично попадает на средний и внешний конуса с опережающими потоками. Определенная часть входного потока с поверхности внутреннего конуса 10, под действием центробежных инерционных силы осуществляет движение вдоль конусаа снизу вверх тонкими разреженными слоями.

Материал сбрасывается по касательной к поверхности конуса. При этом частицы движутся, относительно корпуса смесителя, закручено в сторону вращения ротора. Вследствие чего, начинается скольжение части потока по внутренней поверхности первого направляющего кольца 15, в котором расположены окна. После некоторого периода времени потоки падают с кольцевой поверхности и пересекаются с частями потока, движущимися ко второму сплошному кольцу 14 через окна в первом направляющем кольце.

Вследствие этого, осуществляется дополнительное смешивание компонентов с помощью дополнительного пересечения потоков материала. Потоки материала, от сплошного кольца 14, движутся вдоль его внутренней поверхности и равномерно падают на основание среднего конуса ротора, там происходит смешивание с опережающими потоками, поступающими на основание среднего конуса через окна 13 внутреннего конуса с поверхности диска. Затем общие потоки материала движутся вдоль поверхности среднего конуса и происходит повторение вышеописанного процесса. Такой же процесс осуществляется и на внешнем конусе ротора. Выход готовой смеси осуществляется с днища 5 смесителя с помощью разгрузочных лопастей 8 через патрубок 6.

1 – корпус, 2 - направляющая воронка, 3 – крышка, 4 – патрубки, 5 – днище, - разгрузочный патрубок, 7 – вал, 8 – разгрузочные лопасти, 9 – диск, 10 внутренний конус, 11 – средний конус, 12 – внешний конус, 13 – окна, 14 сплошное кольцо, 15 - первое направляющее кольцо, 16 – подшипник Следующая конструкция СНД (рисунок 1.12) [79].

1 – корпус, 2 - направляющая воронка, 3 – крышка, 4 – патрубки, 5 – днище, 6 - разгрузочный патрубок, 7 – вал, 8 – разгрузочные лопасти, 9 – диск, 10 - внутренний конус, 11 – средний конус, 12 – внешний конус, 13,14 – окна, 15 - козырьки, 16 - отражатели, 17, 18 – подшипники, 19 – ремень, СНД работает следующим образом: подача исходных компонентов осуществляется через патрубки 4 дозаторами. Поток материала попадает на внутреннюю поверхность направляющей воронки 2 и скользит по её поверхности.

Затем сыпучие компоненты попадают на диск 9 ротора, проходя через кольцевой зазор между выходным отверстием воронки 2 и валом 7. Вследствие ограничения окон 13 снизу поверхностью диска 9, лишь часть материальных потоков переходит на поверхность внутреннего конуса 10, а другая часть осуществляет движение к среднему конусу 11 через окна 13. Происходит разделение потоков материала, дошедших до него, на две части. Одна из которых движется сквозь окна 13 и дальше, а другая ссыпается на внутреннюю поверхность среднего конуса 11. Часть входных потоков с поверхности внутреннего конуса 10, осуществляет движение по ней снизу вверх и частично ссыпается через них на поверхность среднего конуса, благодаря расположенным на конусе верхним окнам 14, 11. Над окнами установлены козырьки 15, благодаря которым происходит почти полный переход материальных потоков, сошедших с нижней кромки окон, на поверхность следующего конуса. Оставшиеся части потока, не прошедшие через окна, сбрасываются с конуса и с помощью отражателя 16 возвращаются к нижнему основанию конуса. Вследствие, образуется контур рециркуляции смеси. На среднем конусе 11 происходит аналогичный процесс. Потоки смеси, попавшие на сплошной внешний конус 12, движутся по нему и сбрасываются по направлению к стенке корпуса. Выгрузка смеси из аппарата происходит с помощью разгрузочных лопастей 8.

Основная цель данной конструкции - устранение неблагоприятного вентиляционного эффекта, возникающего при вращении ротора, а также создание в смесителе внешней рециркуляции смеси за счет окон расположенных на поверхности отражателей над внутренним и внешним конусами.

1 – корпус, 2 - направляющая воронка, 3,4 – отверстия, 5 – крышка, 6 – патрубки, 7 – днище, 8 - разгрузочный патрубок, 9 – вал, 10 – разгрузочные лопасти, 11 – диск, 12 – рассеиватель, 13 - внутренний конус, 14 – средний конус, 15 – внешний конус, 16 – окна, 17 - отражатели, 18, 19 – подшипники, 20 – ремень, 21 - электродвигатель увеличение сглаживающей способности смесителя и, как следствие, повышение качества готовой композиции за счет расположения на поверхности приемнонаправляющего устройства двух рядов отверстий: верхнего 3 и нижнего 4.

Благодаря отверстиям 3, 4 происходит разделение входных потоков на три части: первую, проходящую через верхний ряд отверстий 3, вторую - через нижний 4, третью - через центральное отверстие приемно-направляющего устройства Это конструктивное решение обеспечивает организацию стабильных опережающих потоков внутри аппарата.

Интенсифицировать процесс смешивания можно, например, используя движение пылевоздушных потоков, как это предусмотрено в смесителе на рисунке 1.14 [76].

1 – корпус, 2 - питатель, 3 – загрузочный патрубки, 4 – вал, 5 – внешний конус, 6 – диск, 7 – внутренний конус, 8 - средний конус, 9 – внешний конус, 10 – окна, 11 – рабочее колесо, 12 – лопатки, 13 - подшипник, 14 – ремень, 15 – электродвигатель, 16 – разгрузочные лопасти, 17 – выгрузочный СНД содержит корпус 1, питатель 2 с загрузочными патрубками 3, приводной вал 4 с ротором 6, на котором концентрично расположены полые усеченные конуса 7, 8, 9.

Интенсификацировать процесс смешивания помогают установленные на среднем конусе 8 ротора четыре лопатки 12 рабочего колеса 11 осевого вентилятора, которые создают направленное движение материальных потоков сверху вниз.

1.3 МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЫЛЕВОЗДУШНЫХ ПОТОКОВ

Организация процесса смешивания во многих случаях является одним из основных факторов, влияющих на качество получаемого продукта. Задача по определению картины распределения воздушных и материальных потоков внутри рабочего объема центробежного смесителя имеет важнейшее значение, так как ее решение способно помочь в организации и интенсификации процесса центробежного смешивания.

Эффективность радиального смешивания, в различных точках рабочего объема центробежных смесителях, при движении частиц вдоль поверхности вращающихся роторов, выполненных в форме различных дисков, конусов, цилиндров и т.д., достигается за счет торможения, вследствие сил трения частиц материала, наложения и пересечения слоев смешиваемых компонентов, вовлечения в соседние потоки [19,20]. При этом, наблюдается практически полное отсутствие продольного перемешивания вследствие прямоточности аппарата. С целью увеличения степени продольного перемешивания, существует необходимость в организации опережающего движения части перемешиваемых компонентов, проходящего вдоль оси аппарата, либо организации определенной степени запаздывания или циркуляции. Благодаря организации, движущихся в прямом и обратном направлениях, материальных потоков внутри центробежных смесителей создается возможность приближения структуры движения компонентов в нем к модели идеального смешения [88, 89, 95].

Реализация данного способа происходит в ряде конструкций центробежных смесителей. Он осуществляется за счет установки внутри аппарата различного вида отражателей: отдельных элементов тора, одинаковых по размеру и установленных в шахматном порядке на разных конусах по кромкам меньших оснований, в виде сплошных колец и колец с отверстиями [25].

Центробежные смесители с быстровращающимся рабочим органом создают воздушные потоки, которые притягивают высокодисперсные частицы смешиваемых материалов. Такие образующиеся воздушные потоки оказывают значительное влияние на структуру материальных потоков, которые осуществляют движение вдоль поверхностей конусов, что находит отражение в работе всего смесителя. Поэтому в рабочей зоне смесителя существует необходимость в определении контура формирующихся потоков [100].

Пограничные потоки воздуха движутся, вследствие сил трения и инерции, от центральной части ротора к его периферии. Скорости движения воздуха условно разделили на составляющие, такие как: окружная Wок, направленная по касательной к поверхности ротора в сторону его вращения, радиальная Wр направлена от центральной части ротора к его периферии, и осевая Wос, которая действует вдоль вертикальной оси вверх от основания ротора. Непосредственно рядом с рабочими поверхностями смесителя: ротором, корпусом, крышкой, возникает тонкослойное движение воздушных потоков в радиальном направлении. Оставшиеся воздушные потоки, ограниченные рабочими поверхностями центробежного смесителя, приводятся во вращение вместе с ротором, но с заметно меньшей скоростью. В перпендикулярном основанию ротора направлении создается движение воздушных потоков в осевом направлении. Составляющие скорости воздушного потока будут зависеть в большей степени от размеров ЦС, конструкции ротора и частоты его вращения.

Рассмотрим существующие методики исследования направлений и скоростей воздушных потоков.

1.Измерение расхода на основе термальных явлений Работа термальных расходомеров основана и осуществляется по принципу пропорциональности тепла, которое переносится веществом из одной точки в другую, массовому расходу этого вещества. Расход вещества осуществляется термоанемометрами, которые измеряют его с помощью одиночного нагревательного элемента, расположенного в его потоке. Охлаждающий эффект протекающего через этот элемент вещества характеризуется массовым расходом, т. е. благодаря изменению сопротивления проводов нагревательного элемента происходит охлаждение. Часто вместо проволочного элемента в преобразователе используют металлическую плёнку. С помощью термоанемометра удаётся измерять чрезвычайно быстрые флуктуации расхода вещества [36].

2. Измерения скорости воздуха с помощью крыльчатого анемометра.

Скорость измеряется за счет того, что в данном приборе установлена крыльчатка определенного диаметра (для разных скоростей по разному) при прохождении воздуха через прибор. Он начинает толкать крыльчатку, которая, в свою очередь, начинает вращаться. По количеству оборотов крыльчатки и определяют скорость воздуха. Для использования этого прибора необходимо проводить большое количество опытов [59].

3. Измерение скорости воздуха с помощью датчика давления.

Работа датчика давления основана на принципе работы трубки Пито.

Напорные трубки (Пито, НИИОГАЗ и др.) имеют два канала, соединяемые шлангами со штуцерами дифманометра. Они воспринимают полное и статическое давление в воздушном потоке, по которым прибор измеряет динамический напор, на основе этого вычисляются скорость и объемный расход [83].

Измерение скорости воздуха с помощью датчика, который основан на измерении давления, создаваемого потоком воздуха на упругую оболочку, воспринимающую измеряемое давление. Упругие оболочки бывают мембранные и сильфонные. Сила давления измеряется датчиком, обрабатывается прибором и выводит на дисплей скорость воздуха [85].

4. Измерение скорости потока и объемного расхода на вентиляционной решетке [59].

Для проведения измерений можно использовать любой анемометр или термоанемометр. Однако, замеры будут быстрее, правильнее и точнее, если использовать анемометр с крыльчаткой большого диаметра D=60-100 мм, т.к. в этом случае диаметр крыльчатки будет сопоставим с размерами решетки. Для упрощения измерений и уменьшения погрешности можно использовать воронку вместе с прибором. Если необходимо проводить замеры в труднодоступных местах (например, под потолком), можно использовать либо телескопический зонд, либо зонд с удлинителем.

Используют анемометр с крыльчаткой большого диаметра D=60-100 мм. Это наиболее подходящий прибор, так как с ним проводится минимальное количество измерений, с минимальной погрешностью.

Также можно использовать анемометр с крыльчаткой малого диаметра D=16мм и термоанемометр. При использовании этих приборов необходимо провести большее количество измерений, нежели при использовании крыльчатки большего размера. Это занимает больше времени, а также уменьшает точность измерений ввиду того, что увеличивается вероятность отклонения от оси измерений при каждом замере.

5. Воронки и другие принадлежности.

При использовании прибора с воронкой отпадает необходимость проведения множества замеров, что дает более точный результат измерений и экономит время. Проводится всего лишь один замер. В случае с диффузором без воронки вообще очень трудно обойтись. После того, как произвели установку воронки с анемометром на вентиляционную решетку (диффузор), однородный поток воздуха будет стремиться прямо на чувствительный элемент прибора, вследствие чего будут осуществляться замеры величин средней скорости. Анемометры, обладающие функцией расчета объемного расхода, отображают его автоматически. Но при этом необходимо учесть определенный коэффициент преобразования каждой воронки, который необходимо предварительно ввести в прибор.

Существуют ситуации, при которых замеры необходимо производить в труднодоступных местах, например когда решетки находятся на потолке или сразу под потолком. В таких случаях, чтобы не пользоваться стремянкой, можно применять зонды с телескопической рукояткой или удлинители зондов.

Возможно измерение скорости потока и объемного расхода непосредственно в воздуховоде. Перед работой надо убедиться, что в стенке воздуховода есть отверстие, диаметр которого соответствует диаметру измерительного зонда. Это отверстие должно быть расположено на прямом участке воздуховода, так как в этом случае воздушный поток максимально однороден. Прямой участок должен быть длиной не менее пяти диаметров воздуховода. Выбор точки замера происходит с условием, что до нее должно быть расстояние, равное трем диаметрам воздуховода, и после нее – двум диаметрам.

Для проведения замеров используют различные термоанемометры, крыльчатые анемометры с малым диаметром крыльчатки D=16-25 мм и дифференциальные манометры с пневмометрическими трубками. Если в воздуховоде бывают малые скорости ( 2 м/с), то дифференциальный манометр для их измерения не подходит. В таких случаях преимущественно пользуются крыльчатыми анемометрами или термоанемометрами. Выше приведены ограничения по использованию приборов. В процессе замера чувствительный элемент прибора необходимо направить строго навстречу потоку, в противном случае погрешность значительно увеличится.

6. Дифференциальные манометры с пневмометрической трубкой.

Данный тип манометров применяют при достаточно высоких температурах ( 80°С) и/или скоростях более 2 м/с. Приборы можно условно разделить на две группы: одни измеряют только перепад давлений (динамический напор), другие еще имеют функцию усреднения и рассчитывают скорость потока и объемный расход. Обращаем внимание, что у пневмометрических трубок, также как и у воронок, есть коэффициенты, которые также предварительно необходимо ввести в прибор. Кроме того, в прибор также необходимо вводить такие данные, как:

площадь сечения воздуховода и температуру потока. Можно использовать пневмометрические трубки со встроенной термопарой для упрощения вычислений. Не рекомендуется использовать пневмометрическую трубку Пито в запыленных потоках, в этом случае лучше проводить измерения с трубкой НИИОГАЗ. Измерения проводятся в тех же точках, что и в случае с вентиляционной решеткой. Точные формулы с расчетом плотности среды в общем случае приведены в ГОСТ 17.2.4.06-90 [90].

7. Тепловые анемометры.

Действие тепловых анемометров основано на охлаждении нагретой микропроволоки, помещенной в воздушный поток. Скорость воздушного потока и отдаваемая проволокой тепловая энергия выражаются уравнением Кинга:

квадрат скорости пропорционален тепловой энергии. В реальных приборах нагреваемая микропроволока встраивается в систему терморегулирования, выходное напряжение которой обратно пропорционально скорости в степени 1/n.

Из этого следует, что в области малых скоростей воздушных потоков тепловые анемометры обладают достаточно высокой чувствительностью. Однако, при скоростях ниже 0,5 м/с сильно сказывается влияние свободной конвекции и теплопередачи от проволоки к держателю, вследствие чего наблюдается существенное отклонение экспериментальной кривой от теоретической зависимости. Тем не менее, при неизменных форме и размерах микропроволоки, а также фиксированных условиях измерения возможно достаточно точное измерение и в этой области. В серийных тепловых анемометрах существует два диапазона измерений - для ламинарных и турбулентных потоков. Анемометры, предназначенные для измерения скорости ламинарных потоков, имеют несколько измененную конструкцию датчика и бесстрелочный индикатор. Выпускаются также универсальные приборы со стрелочным указателем, предназначенные для измерения скорости воздушного потока, температуры и давления [92].

В тепловых анемометрах, в качестве датчиков используется вольфрамовая нить диаметром 5мкм, длиной 1 мм, либо вольфрамовая нить с кварцевым или платиновым покрытием. Для повышения точности измерения теплоемкость датчика подбирается в зависимости от средней скорости турбулентного потока и во время измерений поддерживается постоянная температура.

При определении характера движения воздушных потоков методом введения дыма международными стандартами лимитируется угол расхождения микрочастиц пылевоздушного потока. При изменении скорости потока, но постоянной степени турбулизации угол расширения в обоих случаях останется постоянным. В то же время очевидна сильная зависимость угла расширения от степени турбулизации. По международным стандатам при угле расширения струи дыма в 14 степень турбулизации считается большей 14%. Хотя такой поток и считают ламинарным, степень турбулизации его достаточно высока. Точность измерения анемометров для турбулизованных потоков составляет 0,1 %. Поэтому следует признать целесообразным при определении состояния ламинарных потоков, кроме визуализации, проводить измерение скорости тепловыми анемометрами для турбулентных потоков, поскольку это дает дополнительную информацию о его состоянии.

Точность измерения скорости малоскоростных воздушных потоков тепловыми анемометрами невелика. Наилучшим методом измерения скорости для таких потоков считается метод тепловых импульсов. Он заключается в том, что в воздушный поток вводятся два тепловых датчика с микропроволаками и кроме них еще один нагреваемый датчик тепловых импульсов. Если последний нагревать импульсами электрического тока, то в воздушном потоке генерируются тепловые импульсы, которые фиксируются тепловым проволочными датчиками.

Средняя скорость потока определяется по времени запаздывания сигнала и расстоянию между датчиками. Этот метод обеспечивает высокую точность измерения при скорости потоков порядка сантиметров в секунду.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

1. Для приготовления смесей сыпучих материалов с большим соотношением смешиваемых компонентов целесообразно использовать механические СНД центробежного типа, которые характеризуются большой производительностью при малых массогабаритных показателях и затратах энергии.

2. Необходимо разработать новые конструкции СНД центробежного типа, совмещающие в себе процессы смешения в тонкослойных разреженных потоках и диспергирования, хорошо сглаживающие погрешности входных потоков. Этого можно достичь путем организации направленного движения пылевоздушных потоков.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА

СМЕШИВАНИЯ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ

КИБЕРНЕТИЧЕСКОГО ПОДХОДА

Во второй главе представлена математическая модель смесительного кибернетического подхода.

2.1 МОДЕЛИРОВАНИЕ СМЕСИТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА

ЦЕНТРОБЕЖНОГО ТИПА НА ОСНОВЕ КИБЕРНЕТИЧЕСКОГО ПОДХОДА

Вопросам моделирования процесса смешивания посвящен ряд научных трудов и монографий [11, 12, 16 - 18, 21, 26, 47, 48, 49, 53, 54, 69, 81, 84].

универсальным методом, позволяющим моделировать системы любой структуры и сложности на основе простой методики, но он не отображает физических закономерностей процесса.

Основное понятие кибернетики - понятие «система», благодаря которому осуществляется возможность математической формализации исследуемых объектов. Система содержит части, взаимосвязанные и взаимодействующие между собой и с внешней средой, и представляет собой замкнутое целое (рисунок 2.1) [32-34, 37, 42].

Система подвергается возмущениям z, и для того, чтобы эта система работала, используют управляющие воздействия u.

Передача информации в системах осуществляется в виде сигналов, которые проходят в единственном направлении: входной параметр звена всегда является причиной изменения состояния, а выходной – его следствием, направление действия не может быть обратным. Каналы связи, составляющие систему, образуют датчики и приёмники[27, 43, 60].

Характер прохождения сигнала через звено отображает его свойства.

Различные системы можно сгруппировать в некоторые типовые звенья. Поэтому, для количественной оценки свойств звена, для получения его математической модели, характер прохождения сигнала в этом звене можно сравнить с характером прохождения сигнала в типовых звеньях [37].

динамики объекта, наиболее распространённой формой описания передаточных свойств звеньев [98]. Обыкновенное дифференциальное уравнение для звена, который имеет один входной сигнал x(t) и один выходной y(t), можно записать в общем виде следующим образом (2-1):

Приведенное уравнение (2-1) дает возможность связать неизвестную известной (заданной) функцией x(t).

С помощью метода операционного исчисления (операционного метода) можно описывать и анализировать системы в форме передаточных функций (ПФ).

Основу этого метода составляет преобразование Лапласа (2-2), благодаря которому устанавливается соответствие между функциями действительной переменной t и функциями комплексной переменной p.

Оригиналом называется функция времени x(t), входящая в интеграл Лапласа, а результат интегрирования X(p) называется изображением функции x(t) по Лапласу [39].

Передаточной функцией W(p) называется отношение изображения входной величины к изображению входной величины при нулевых начальных условиях (2Y ( p) L{ y(t )} Передаточная функция представляет собой некоторый динамический оператор, который характеризует прохождение сигналов через звено.

Формально, передаточная функция получается заменой символа кратного дифференцирования в дифференциальном уравнении на соответствующую степень p, и последующего деления образованного таким образом многочлена правой части на многочлен левой части уравнения.

К основным понятиям кибернетики, также, относится понятие «чёрного ящика» [48]. Это понятие дает возможность изучить поведение систем, т.е. её реакции на различные внешние воздействия, абстрагируясь от их внутреннего устройства. Многие системы оказываются настолько сложными, что, даже имея полную информацию о состоянии их элементов, практически невозможно связать её с поведением системы в целом. В подобных случаях представление такой сложной системы в виде некоторого «чёрного ящика», функционирующего аналогичным образом, облегчает построение упрощенной модели. Анализируя поведение модели и сравнивая его с поведением системы, можно сделать ряд выводов о свойствах самой системы [53].

Нами были рассмотрены методы моделирования непрерывного процесса смешивания сыпучих материалов, на основе кибернетического подхода. В этом случае непрерывно действующий смесительный агрегат (СА) представляется в виде динамической системы, благодаря которой можно осуществить его моделирование с использованием методов технической кибернетики.

На основе кибернетического подхода разработана математическая модель процесса смесеобразования в смесителе центробежного типа, позволяющая определить степень сглаживания входных материалопотоков, проанализировать динамические характеристики и инерционные свойства аппарата [48].

В качестве объекта моделирования рассматривается смесительный агрегат, который состоит из центробежного смесителя непрерывного действия и блока дозирующих устройств [91].

На первом этапе, исходя из описания смесителя, в соответствии с принципом «чёрного ящика» можно выделить основные каналы передачи сигналов с входов на выходы системы и представить её в виде функционально - структурной схемы центробежного смесителя (рисунок 2.2):

Рисунок 2.2 - Функционально - структурная схема смесительного агрегата Основной канал типа «вход – выход»: «массовый расход исходных компонентов Xвх(t) – сглаживающая способность Y(t)» (WYXвх (S)).

На систему оказывают влияние основные технологические параметры:

скорость воздушного потока (V), критерий сыпучести материала (Si), длина образующей конуса (L). Передаточные свойства канала системы определяются соответствующей передаточной функцией, обозначения которой имеют двойной технологический входной параметр. Например, для скорости воздушного потока передаточная функция по выходу обозначена. Передаточные функции по каналам «скорость потока – выход», «критерий сыпучести – выход», «длина образующей конуса – выход» можно записать: WYV(S), WYSi(S) и WYL(S).

Передаточной функцией смесителя называется отношение преобразованных по Лапласу выходного сигнала у(s) к входному х(s) при нулевых начальных условиях. ПФ определяется только внутренними свойствами СНД центробежного W(s)=y(s)/x(s).

Воспользовавшись законами преобразования структурных схем, модель смесительного агрегата можно записать в виде уравнения:

WСА(S) = WДБ(S) WСМ(S) WSi(S) WV(S) WL(S) = где WДБ(S) – импульсные переходные функции блока дозаторов;

WСМ(S) – передаточная функция СНД;

WSi(S) – передаточная функция критерия сыпучести;

WV(S) – передаточная функция скорости воздушного потока;

WL(S) – передаточная функция длины образующей конуса;

дифференцирование по времени;

n – количество дозаторов.

Полученное уравнение определяет состояние выхода объекта моделирования во времени при известном массовом расходе исходного компонента Xd(S), а также при определенных значениях технологических параметров процесса V(S), Si(S), L(S).

Таким образом, для математического моделирования СА необходимо определить все элементы системы, входящие в уравнение (2-4).

Допустим, что в разработанном смесительном агрегате для дозирования основных компонентов применялись спиральный и шнековый дозаторы, а для «ключевого» - порционный.

На основании известных свойств преобразования Лапласа [53] суммарный сигнал от блока дозирующих устройств в операторной форме запишется в следующем виде:

где WДi(S) – операторная форма сигнала, формируемого i-м дозатором.

представлены по преобразованию Лапласа в следующем виде:

где Хdi – величина постоянного расхода компонента из спирального дозатора;

Хdmi, di – амплитуда и частота флуктуаций.

Ключевой компонент смеси подается в СНД порционным дозатором с сигналом (Xd3(t)) типа «прямоугольная волна», представленным следующим выражением:

где Td3 – период пульсаций сигнала порционного дозатора;

k=2k/Td3 – циклическая частота колебаний, соответствующая k-й гармонике Фурье-разложения сигнала типа «прямоугольная волна», формируемого порционным дозатором;

А03, Аk3, Bk3 – коэффициенты Фурье-разложения сигнала порционного дозатора [49].

Подставив выражения (2-6), (2-7) и (2-8) в (2-5) получим суммарный сигнал от блока дозирующих устройств в операторной форме:

Следующий шаг – выбор вида и величины входных воздействий. При экспериментальных и теоретических исследованиях объектов и их элементов используют ряд стандартных сигналов, называемых типовыми воздействиями.

Эти воздействия описываются простыми математическими функциями и легко воспроизводятся при испытании систем. Поскольку смешивание оказывает значительное влияние процесс дозирования компонентов смеси, что в свою очередь является процессом не мгновенным, поэтому из типовых воздействий рекомендуется выбрать ступенчатое воздействие, которому соответствует функция:

Для описания динамических свойств каналов преобразования сигналов, соответствующих массовому расходу исходных компонентов, в сигналы, соответствующие сглаживающая способность смесительного агрегата, выбрана передаточная функция вида:

Функция (2-11) пригодна для описания свойств каналов типа «вход – выход».

Для описания динамических характеристик каналов типа «воздействие технологического параметра – выход» необходимо нанесение ступенчатых воздействий сразу по входному каналу и каналу соответствующего возмущения.

Передаточная функция канала возмущения определяется аналитически.

Определение передаточной функции при воздействии скорости воздушного потока на сглаживающую способность на выходе системы, при этом одновременно вносятся воздействия Xвх(S) и V(S)(рисунок 2.3):

Рисунок 2.3 - Воздействие скорости потока на сглаживающую способность Выходной сигнал системы YXвхV(S) по каналам воздействия массового расхода исходного компонента и скорости потока на сглаживающую способность на выходе также может быть описан функцией:

где WXвх(S) – передаточная функция канала системы по массовому расходу исходного компонента.

Определение передаточной функции при воздействии критерия сыпучести на сглаживающую способность на выходе из системы (рисунок 2.4):

Рисунок 2.4 - Воздействие критерия сыпучести на сглаживающую В соответствии с рисунком 2.4 можно записать:

где WXвх(S) – передаточная функция канала системы по массовому расходу исходного компонента.

Определение передаточной функции при воздействии длины образующей конуса на сглаживающую способность на выходе из системы (рисунок 2.5):

Рисунок 2.5 - Воздействие длины образующей конуса на сглаживающую В соответствии с рисунком 2.5 можно записать:

где WXвх(S) – передаточная функция канала системы по массовому расходу исходного компонента;

охарактеризовать динамику перемещения материала в нем. В своей работе [68] проф. Макаров Ю. И. рассматривал СНД как звено регулирования, обладающее ярко выраженными свойствами низкочастотного фильтра. Он доказал, что включающими соответствующие комбинации последовательных и параллельных участков идеального смешения и вытеснения.

Следовательно, СНД можно моделировать сочетанием схем инерционных звеньев того или иного порядка и звеньев чистого запаздывания. Для количественного анализа функционирования работы СНД его динамические характеристики аппроксимируются апериодическим звеном второго порядка (2Подставив выражения (2-9), (2-11), (2-13), (2-15) и (2-17) в (2-4) получим модель смесительного агрегата для получения сухих смесей с соотношением смешиваемых компонентов 1:100, с учетом внешних факторов воздействия:

Общий вид смесительного агрегата, в виде блочно - структурной схемы, полученный на основании выражения (2-18), представлен на рисунке 2.6.

Полученная модель, включающая в свой состав информацию о формировании потоковых сигналов в блоках дозирующих устройств, позволяет отслеживать их флуктуации параллельно выходному сигналу, прошедшему через СНД и отбираемому на его выходе, и может реализоваться с помощью программноприкладных пакетов «Mathcad» и «Mathematica», которые позволяет производить преобразование временных функций в операторную форму и обратно, т.е.

производить операционные исчисления.

Рисунок 2.6 - Блочно - структурная схема смесительного агрегата Таким образом, модель СА при использовании кибернетического подхода с применением ЭВМ, позволяет прогнозировать качество смешивания исходных компонентов, если известны функциональные зависимости входных и внешних сигналов от времени и передаточных функций СНД.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

1. Разработана математическая модель центробежного смесительного агрегата на основе кибернетического подхода, для переработки сыпучих материалов в условиях их объемного дозирования. Полученная модель реализуется с помощью программно-прикладных пакетов и позволяет прогнозировать качество смешивания исходных компонентов при известных функциональных зависимостях входных и внешних сигналов от времени и передаточных функций смесителей непрерывного действия центробежного типа.

ГЛАВА 3. АППАРАТУРНОЕ И МЕТОДОЛОГИЧЕСКОЕ ОФОРМЛЕНИЕ

ПРОЦЕССОВ СМЕШИВАНИЯ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ

В третьей главе приведено описание лабораторно-экспериментального стенда, обоснован выбор новых конструкций смесителей непрерывного действия центробежного типа, описана методика для определения концентрации ключевого компонента в смеси, приведена методика определения сыпучести дисперсных материалов, предложена методика определения картины распределения пылевоздушных потоков внутри аппарата.

3.1 ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

Для того, чтобы осуществлять технологическую стадию приготовления смесей из сыпучих материалов необходимо выполнение следующих условий:

стабильной подачи исходных компонентов в центробежном смесителе, высокой эффективности и интенсивности процесса смешивания; максимального снижения влияния погрешностей дозирования исходных компонентов на качество готовой композиции; предотвращения образования конгломератов из смешиваемых частиц или эффективного их разрушение.

Учитывая эти требования, для исследования процесса смешивания сыпучих материалов нами использован экспериментально-исследовательский стенд рисунок 3.1.

Стенд включает в свой состав: опытно–промышленный образец смеситель центробежного типа (рисунок 3.1), оборудование для отбора проб из готовой смеси, пульт управления (рисунок 3.2), и приборы для определения концентрации ключевого компонента в смеси (рисунок 3.3).

В качестве приводов дозирующих устройств и центробежном смесителе использовались двигатели постоянного тока, для обеспечения возможности изменения в широком диапазоне режимов работы лабораторноисследовательского агрегата.

Источником постоянного тока с регулируемым напряжением являлась электроустановка, состоящая из лабораторного автотрансформатора (ЛАТР), выпрямительного мостика ВМ-25, вольтметра и амперметра.

Рисунок 3.2 – Пульт управления Рисунок 3.3 – Частотомер С помощью электрического тахометра, состоящего из тахогенератора и вторичного прибора, соединенного с ним, осуществляли измерения и производили контроль частоты вращения рабочих органов дозирующих устройств и центробежного смесителя. Тахогенератор можно соединять с валом машины или двигателя с помощью специальных насадок.

Для того, чтобы проанализировать однородность отбора проб из готовой смеси, мы использовали ленточные и дискретные пробоотборники непрерывного действия.

Косвенным методом с помощью усовершенствованной конструкции электромагнитного анализатора и химических методов определяли концентрацию ключевого компонента в пробах.

3.2 ДОЗИРОВОЧНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ СТЕНДА

Эффективность непрерывнодействующих смесительных агрегатов при получении высококачественных смесей сыпучих материалов во многом определяется стабильностью поступающих потоков исходных материалов. Это, в свою очередь, зависит от типа и надежности работы дозирующих устройств.

В связи с тем, что в составе стенда используется центробежный смеситель, применялись объемные дозаторы дискретного и непрерывного действия) [6, 23, 47]. Они отличаются простотой конструкции, удобны в эксплуатации, а также формируемых этими дозаторами, достаточно хорошо сглаживаются новыми конструкциями универсального центробежного смесителя. Дозаторы представлены в приложении 4.

3.3 ОБОСНОВАНИЕ НОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ СМЕСИТЕЛЕЙ

НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ

Техническим недостатком многих центробежных смесителей является то, что под действием центробежной силы поднимаются пылевоздушные потоки, приводящие к сегрегации. Также, к недостаткам можно отнести малую сглаживающую способность, недостаточную интенсивность и эффективность протекания процесса смешивания. Так как продолжительность движения частиц материала внутри аппарата очень мала для качественного смешивания компонентов даже в тонком слое материала, тем более, если компоненты смеси подаются в аппарат дозаторами объемного типа, который обладают существенной погрешностью дозирования. Кроме того, конфигурация профиля поверхности ротора существенно усложняет технологию изготовления ротора, по сравнению с простой формой полого усеченного конуса.

Основные требования, которые предъявляются к конструкциям смесителей сыпучих материалов непрерывного действия, ранее были нами сформулированы.

Одним из важнейших требований является организация направленного движения пылевоздушных потоков внутри рабочей камеры аппарата с целью устранения застойных зон, создания дополнительных пересекающихся пылевоздушных и материалопотоков потоков. Среди этих требований немаловажным является способность СНД хорошо сглаживать неравномерности подачи исходных компонентов, что во многом исключает непостоянство состава готовой смеси в различные моменты времени. Флуктуации входных потоков могут носить как закономерный, когда подача материала изменяется во времени по какому-то определенному закону, так и случайный характер. В последнем случае количество материала, подаваемого за одинаковые промежутки времени, зависит от неоднородности его структуры, изменения оборотов привода дозирующего устройства и т.п. Сглаживающая способность СНД зависит, в первую очередь, от количества материала, находящегося в нем, и от организации структуры движения материальных потоков [41, 52, 54]. Таким образом, при разработке новых конструкций СНД следует стремиться к тому, чтобы обеспечить высокую турбулентность движения материалов и интенсивность их продольного перемешивания. Исходя из этого, нами было разработано несколько оригинальных конструкций центробежных СНД.

3.3.1 ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ СМЕСИТЕЛЬ С ОСЕВЫМ ВЕНТИЛЯТОРОМ

На рисунке 3.4 представлен конструкция смесителя непрерывного действия центробежного типа [70].

Рисунок 3.4 - Схема смесителя с осевым вентилятором:

1 - корпус, 2 - крышка, 3 - загрузочный патрубок, 4 – днище, 5 - подшипниковый узел, 6 - вал, 7 – ворошитель, 8 – диск ротора, 9 - полый конус, 10 - усеченный конус, 11 - перепускные окна, 12 - осевой вентилятор, Смеситель включает в себя следующие элементы: вертикальный цилиндрический корпус 1, эллиптическую крышку 2, на которой установлен загрузочный патрубок 3, подшипниковый узел 5, с закрепленным в нем валом 6, в нижней части которого установлен ворошитель 7. На валу установлен ротор, основание которого выполнено в виде диска 8, на котором, вершиной вверх, концентрично установлен полый конус 9. На основании ротора концентрично установлен полый тонкостенный усеченный конус 10 с перепускными окнами 11, соединенный с диском снизу меньшим основанием. Над конусом на валу концентрично установлен осевой вентилятор 12, выполненный в виде лопаток, расположенных под углом к горизонтальной плоскости. В эллиптическом днище 4 установлен разгрузочный патрубок 13.



Pages:   || 2 |
 
Похожие работы:

«КОСТИН АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ РАЗРАБОТКА, ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА И БЕЗОПАСНОСТИ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ПРОДУКТОВ ПРОБИОТИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ 05.18.15 – Техноогия и товароведение пищевых продуктов и функционаьного и специаизированного назначения и общественного питания...»

«КУЗЬМИН КОНСТАНТИН ВЛАДИМИРОВИЧ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ЛИКЕРОВОДОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ ПУТЕМ СТАБИЛИЗАЦИИ КОЛЛОИДНОЙ СИСТЕМЫ С ПОМОЩЬЮ МОДИФИЦИРОВАННОГО КРАХМАЛА Специальность: 05.18.15 – технология и товароведение пищевых продуктов и функционального и специализированного назначения и общественного питания Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель д.т.н., профессор В.А....»

«ГУЖЕЛЬ ЮЛИЯ АЛЕКСАНДРОВНА РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ И ТОВАРОВЕДНАЯ ОЦЕНКА НАПИТКОВ БРОЖЕНИЯ, ПОЛУЧЕННЫХ С ДОБАВЛЕНИЕМ ЭКСТРАКТА ХВОИ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ Специальность 05.18.15 – Технология и товароведение пищевых продуктов и функционального и специализированного...»

«КОРЖОВ ИГОРЬ ВАСИЛЬЕВИЧ РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ РАСТИТЕЛЬНЫХ ТЕКСТУРАТОВ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ Специальности: 05.18.01-Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодовоовощной продукции и виноградарства 05.18.04-Технология мясных,...»

«РЕМИЗОВ СТАНИСЛАВ ВАДИМОВИЧ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ХАРАКТЕРИСТИКА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СВОЙСТВ МОРКОВНОГО НЕКТАРА Специальность: 05.18.15 – Технология и товароведение пищевых продуктов и функционального и специализированного назначения и общественного питания...»

«ЛОГИНОВ ВИТАЛИЙ АНАТОЛЬЕВИЧ ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ пропионовокислыми бактериПОЛУТВЁРДОГО СЫРА С ями. Специальность 05.18.04 – технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств ДИССЕРТАЦИЯ на соискание степени кандидата технических наук Научный руководитель :доктор технических...»

«МАКСЮТОВ РУСЛАН РИНАТОВИЧ РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ И ТОВАРОВЕДНАЯ ОЦЕНКА ЙОДОБОГАЩЁННЫХ КУМЫСНЫХ НАПИТКОВ С ИНУЛИНОМ 05.18.15 – Технология и товароведение пищевых продуктов и функционального и специализированного назначения и общественного питания (технические наук и) Диссертация на соискание...»

«КАЙМБАЕВА ЛЕЙЛА АМАНГЕЛЬДИНОВНА НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ И ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА МЯСА И ПРОДУКТОВ УБОЯ МАРАЛОВ Специальность: 05.18.04 - Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук Научный консультант : доктор технических наук, профессор Узаков Я.М. Улан-Удэ - СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР 1.1...»

«Бабич Ольга Олеговна ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ БИОТЕХНОЛОГИЙ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ МОЛОЧНЫХ ПРОДУКТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ L-ФЕНИЛАЛАНИН-АММОНИЙ-ЛИАЗЫ 05.18.04 - Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных...»

«ВАСИЛЬЕВА ИРИНА ОЛЕГОВНА РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ МЯСНОГО ПРОДУКТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНОГО КОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ МОДИФИЦИРОВАННОГО КОЛЛАГЕНА И МИНОРНОГО НУТРИЕНТА 05.18.04 – Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств 05.18.07 – Биотехнология пищевых продуктов и биологических...»

«АПЁНЫШЕВА ТАТЬЯНА НИКОЛАЕВНА РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЯГКИХ КИСЛОТНОСЫЧУЖНЫХ СЫРНЫХ ПРОДУКТОВ С РАСТИТЕЛЬНЫМ ЖИРОМ Специальность: 05.18.04 - Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических...»

«ЛОСКУТОВА ЕЛЕНА ВИКТОРОВНА ТОВАРОВЕДНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИКОРАСТУЩИХ ЯГОД СЕМЕЙСТВА ВЕРЕСКОВЫХ И ПРОДУКТОВ ИХ ПЕРЕРАБОТКИ Специальность: 05.18.15. – технология и товароведение пищевых продуктов и функционального и специализированного назначения и общественного питания ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени кандидата...»

«БОНДАКОВА МАРИНА ВАЛЕРЬЕВНА РАЗРАБОТКА РЕЦЕПТУРЫ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА КОСМЕТИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭКСТРАКТА ВИНОГРАДА Специальность 05.18.06 – Технология жиров, эфирных масел и парфюмерно-косметических продуктов (технические наук и) Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук...»

«ОВСЯННИКОВА ЕВГЕНИЯ АЛЕКСАНДРОВНА РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОГО ПОДХОДА К ПЕРЕРАБОТКЕ ДИКОРАСТУЩИХ ЯГОД КЛЮКВЫ И БРУСНИКИ 05.18.15 – Технология и товароведение пищевых продуктов и функционального и специализированного назначения и общественного питания Диссертация на соискание ученой...»

«ЛЕ ТХИ ДИЕУ ХУОНГ РАЗРАБОТКА И ТОВАРОВЕДНАЯ ОЦЕНКА ПРОДУКЦИИ НА МОЛОЧНОЙ ОСНОВЕ ДЛЯ ШКОЛЬНОГО ПИТАНИЯ ВО ВЬЕТНАМЕ Специальность 05.18.15 - Технология и товароведение пищевых продуктов и функционального и специализированного назначения и общественного питания (технические наук и). ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой...»

«ГРАЩЕНКОВ ДМИТРИЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ РАЗРАБОТКА БЛЮД И РАЦИОНОВ ДЛЯ ДОШКОЛЬНЫХ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УЧРЕЖДЕНИЙ НА ОСНОВЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ РАСЧЕТОВ 05.18.15 – Технология и товароведение пищевых продуктов и функционального и специализированного назначения и общественного питания Диссертация на соискание ученой степени кандидата...»

«ВОЛОТКА ФЁДОР БОРИСОВИЧ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ РЫБНЫХ ФОРМОВАННЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ РЫБ ПРИБРЕЖНОГО ЛОВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПИВНОЙ ДРОБИНЫ Специальность 05.18.04 Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств Диссертация на...»

«КОШЕЛЕВА ЕЛЕНА АЛЕКСЕЕВНА ИССЛЕДОВАНИЕ ЖИРОВОЙ ФАЗЫ МОЛОКА И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СЛИВОЧНО-БЕЛКОВОГО ПРОДУКТА Специальность 05.18.04 – технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств ДИССЕРТАЦИЯ на соискание степени кандидата технических наук Научный руководитель : доктор технических...»

«ЗАВОРОХИНА НАТАЛИЯ ВАЛЕРЬЕВНА РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОЛОГИИ МОДЕЛИРОВАНИЯ БЕЗАЛКОГОЛЬНЫХ НАПИТКОВ С УЧЕТОМ СЕНСОРНЫХ ПРЕДПОЧТЕНИЙ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ 05.18.15 –...»

«ШЕЛЕПИНА НАТАЛЬЯ ВЛАДИМИРОВНА НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ СПОСОБОВ ПЕРЕРАБОТКИ ЗЕРНА СОВРЕМЕННЫХ СОРТОВ И ФОРМ ГОРОХА Специальность 05.18.01 – Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства Диссертация на соискание ученой степени...»








 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.