Введение к работе
Актуальность темы исследования. Одним из технических приложений механики жидкости является теоретическое описание течений материала в однопшековых экструдерах. В рамках такого подхода решены многие задачи шнековой экструзии. Однако существуют процессы, при моделировании которых методы механики жидкости используются редко, ввиду сложности определяющих соотношений. Одним из таких процессов является течение нелинейно вязкой бинарной смеси, осложненное фильтрационным движением одной из компонент с выходом за область течения смеси, имеющее место при шнек-прессовом отжиме масла из растительного сырья. Моделирование шнек-прессового отжима в подавляющем большинстве случаев производится экспериментальными методами, к недостаткам которых можно отнести большую трудоемкость и себестоимость, а также неприменимость получаемых на основе опытов уравнений регрессии в широком диапазоне изменения конструктивных и технологических параметров процесса. Немногочисленные теоретические модели отжима, представленные в литературе, обладают тем недостатком, что не учитывают сильного изменения физических свойств материала с отжимом жидкой фракции (масла). Таким образом, представляется актуальной и интересной задача моделирования методами механики жидкости течения вязкой бинарной смеси в шнековых прессах с относительным фильтрационным движением компонент и с учетом изменения свойств смеси с оттоком жидкой фракции, применительно к процессу шнек-прессового отжима масла. На практике результаты моделирования могут быть применены для выбора наилучших конструктивных параметров прессов и технологических параметров процесса.
Цель исследования. Общая цель работы состоит в разработке математической модели шнек-прессового отжима, позволяющей определить наилучшие технологические параметры процесса и конструктивные параметры шнекового пресса с учетом нелинейного изменения свойств перерабатываемого материала в процессе отжима масла.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие частные задачи:
-
Построение алгоритма развертки на плоскость винтового канала шнека с изменяющейся геометрией.
-
Построение модели течения материала в канале шнека с линейно изменяющейся по длине геометрией с учетом тепломассопереноса в радиальном зазоре между гребнем шнека и внутренней поверхностью корпуса в терминах интегральных характеристик. Разработка алгоритма численного решения уравнений модели.
-
Выбор геометрии шнек-пресса на основании моделирования процесса экструзии с учетом влияния радиальных зазоров на его напорность.
-
Экспериментальное определение изменения фильтрационных и вязкостных свойств экструдата рапса в процессе отжима масла.
-
Построение модели шнек-прессового отжима на основе связанных задач фильтрации жидкости сквозь пористую среду и течения вязкой смеси в экструдере.
-
Разработка программного обеспечения для численного решения уравнений модели отжима.
-
Проведение численного эксперимента с целью определения влияния конструктивных параметров шнек-пресса на эффективность процесса отжима.
Объект исследования. Процесс шнек-прессового отжима маслосодержащего материала растительного происхождения.
Предмет исследования. В качестве предметов исследования были приняты:
-
Течение вязкой бинарной смеси в шнековом-прессе с относительным фильтрационным движением жидкой компоненты.
-
Напорно-расходные характеристики (НРХ) шнеков и влияние зазора между гребнем винта шнека на НРХ шнеков.
-
Изменение фильтрационных и вязкостных свойств экструдатарапса в процессе отжима.
-
Зависимости выходных параметров процесса отжима (производительность по маслу, энергоемкость процесса, остаточное содержание масла) от технологических (скорость вращения шнека, сопротивление головки) и конструктивных (геометрия шнека) параметров.
Методы исследования. В ходе исследования применялись методы механики сплошных сред, численного решения дифференциальных уравнений, методы планирования эксперимента, экспериментальные методы определения свойств экструдата рапса.
Адекватность построенных моделей. Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается обоснованностью принимаемых допущений, отсутствием противоречий с известными представлениями о процессе, корректным применением методов механики сплошных сред и подтверждается качественным и количественным совпадением результатов, полученных автором с экспериментальными данными известными в литературе.
Научную новизну работы составляют:
-
Модель тепломассопереноса в радиальном зазоре между внутренней поверхностью корпуса экструдера и шнеком с линейно изменяющейся по длине геометрией. В рамках модели перетекание жидкости через реборду приводит к изменению секундного объемного расхода жидкости в канале шнека, определяющего градиент давления, который в свою очередь задает интенсивность перетекания. Поток утечек, таким образом, представляет собой распределенную по длине шнека пространственную обратную связь. Модель позволяет выбирать геометрию шнека, обеспечивающую необходимую напорность шнека при наличии технологических радиальных зазоров.
-
Новая модель шнек-прессового отжима, в рамках которой изучаемый процесс представляется совокупностью течений вязкой бинарной
смеси и фильтрационного движения жидкой компоненты относительно смеси с выходом за границу шнекового пресса, позволяющая учесть сильное нелинейное изменение фильтрационных и вязкостных свойств смеси с оттоком жидкой фракции.
-
Результаты моделирования процесса отжима с учетом нелинейного изменения свойств материала. На основании результатов моделирования предложены зависимости, позволяющие осуществлять выбор конструктивных параметров пресса и технологических параметров процесса отжима.
-
Новый метод определения изменения коэффициента проницаемости пластически деформируемого пористого материала в процессе отжима жидкой фракции. Получены экспериментальные данные по изменению коэффициента проницаемости экструдата рапса от массового содержания масла и уровня давления. Установлено, что изменение массовой концентрации в узком диапазоне (0,45 - 0,23) приводит к уменьшению коэффициента проницаемости на полтора-два десятичных порядка в зависимости от уровня приложенного давления.
Практическую ценность имеют:
-
Математическая модель течения жидкости в экструдере с учетом утечек в зазоре, позволяющая рассчитывать НРХ шнеков без построения их сложной геометрии и сеток.
-
Программный комплекс для расчета режимов пресс-шнекового отжима «SqPolySolve» (свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2013610385), предназначенный для определения производительности шнековых прессов по маслу, энергоемкости отжима и остаточной концентрации масла в жмыхе.
-
Новый метод экспериментального определения изменения коэффициента проницаемости пластически деформируемой пористой среды. Подана заявка на изобретение (№2013114670 от 01.04.2013).
-
Результаты экспериментального определения изменения фильтрационных и вязкостных свойств экструдата рапса в процессе отжима.
Положения, выносимые на защиту:
-
Математическая модель течения ньютоновской несжимаемой жидкости в однопшековом экструдере с линейно изменяющейся по длине геометрией шнека, учитывающая тепломассоперенос в зазоре между гребнем шнека и внутренней поверхностью корпуса.
-
Математическая модель шнек-прессового отжима масла в терминах интегральных характеристик, особенностью которой является учет нелинейного изменения коэффициента фильтрации и вязкости экструдата рапса с изменением массовой концентрации масла, уровня давления и температуры.
-
Результаты моделирования процесса отжима рапса с учетом экспериментально найденных свойств материала, позволяющие осуществлять выбор конструктивных и технологических параметров процесса.
-
Метод определения изменения коэффициента проницаемости пластически деформируемой пористой среды в процессе отжима жидкой фракции.
-
Результаты экспериментального определения изменения фильтрационных и вязкостных свойств экструдата рапса в процессе отжима масла.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы были представлены на конференциях: XVII Зимняя школа по механике сплошных сред, ИМСС УрО РАН, Пермь, 2011; XX Всероссийская школа-конференция молодых ученых «Математическое моделирование в естественных науках», Пермь, 2011; «Material Methods and Technologies», Bulgaria, 2012; XVIII Зимняя школа по механике сплошных сред, ИМСС УрО РАН Пермь, 2013.
Полностью диссертационная работа представлена на семинарах Института механики сплошных сред (руководитель: академик РАН, д.т.н., профессор В.П. Матвеенко) и семинарах на кафедрах «Конструирование и технологии в электротехнике» (руководитель: д.т.н., профессор Н.М. Труфанова), «Вычислительная математика и механика» (руководитель: д.т.н., профессор НА. Труфанов), «Математическое моделирование систем и процессов» (руководитель: д.ф.-м.н., профессор ПВ. Трусов) Пермского национального исследовательского политехнического университета.
Результаты работы использованы при выполнении НИР в рамках грантов: Грант РФФИ 10-08-96069 «Моделирование отжима жидкости в процессе экструзионной переработки биополимеров на основании расчета течения двухкомпонентных сред»; Грант РФФИ 13-08-96006-р_урал_а "Теоретические и экспериментальные аспекты движения жидкостей через пластически деформируемые пористые среды в приложении к процессу шнек-прессового отжима масличных культур".
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ в журналах и сборниках конференций из них 5 работ в журналах из списка ВАК и 1 работа в зарубежном рецензируемом журнале.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Диссертация изложена на 149 страницах и содержит 64 рисунка, 11 таблиц, 3 страницы приложений.
