Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Тенденции развития процесса непрерывного смесеприготовления сыпучих композиций 16
1.1 Проблемы смешивания сыпучих материалов непрерывным способом и пути их решения 16
1.1.1 Преимущество непрерывного смешивания. Состав смесеприготовительного агрегата 16
1.1.2 Критерии оценки качества смесей 18
1.1.3 Способы дозирования и влияние неравномерной подачи материалов на качество композиций 19
1.1.4 Способы снижения влияния нестабильности питающих потоков на качество композиций 23
1.2 Выбор вибрационных смесителей в качестве основного объекта исследования 28
1.2.1 Классификация вибрационных смесителей непрерывного действия 28
1.2.2 Особенность образования виброкипящего слоя сыпучих материалов на перфорированных поверхностях 35
1.3 Обзор конструкций вертикальных СНД вибрационного типа и выбор дальнейшего направления исследований 38
1.3.1 Обзор каскадных вибрационных смесителей 38
1.3.2 Обзор винтовых вибрационных смесителей 41
1.4 Особенность условий смешивания в винтовых вибрационных смесителях 43
Результаты и выводы по главе 1 45
Глава 2. Разработка математических моделей вертикальных вибрационных смесителей 46
2.1 Корреляционный анализ как метод оценки сглаживающих свойств вертикальных вибрационных смесителей 46
2.2 Определение влияния рециркуляции на сглаживающие свойства прямоточных СНД 9
2.3 Определение расхода материала на рабочем органе прямоточных винтовых СНД 60
2.4 Оценка сглаживающих свойств подъемных винтовых СНД вибрационного типа 63
2.4.1 Анализ базовой схемы движения материальных потоков в винтовом СНД 64
2.4.2 Анализ схемы движения материальных потоков в усовершенствованном винтовом СНД 71
2.5 Влияние перфорации на сглаживающие свойства подъемных винтовых смесителей 77
Результаты и выводы по главе 2 85
Глава 3. Разработка новых конструкций вибрационных смесителей и результаты их исследования 86
3.1 Разработка конструкций прямоточных винтовых вибрационных смесителей 86
3.2 Разработка конструкций подъемных винтовых вибрационных смесителей 89
3.3 Главные факторы, влияющие на геометрические размеры подъемных винтовых смесителей 99
3.4 Определение рациональных значений параметров вибрации, необходимых для создания виброкипящего слоя 103
3.5 Факторы, влияющие на скорость вибротранспортирования материала и его истечение через перфорацию 107
3.5.1 Транспортирование «кипящего» слоя сыпучих материалов по винтовому лотку 107
3.5.2 Пропускная способность вибрирующего отверстия 112
3.6 Методика расчета производительности и ширины лотка винтовых СНД 113
3.7 Экспериментальное определение параметров передаточных функций смесителя 119
Результаты и выводы по главе 3 123
Глава 4. Разработка конструкций фрагментов смесеприготовительного агрегата и результаты их исследований 124
4.1 Состав смесеприготовительного агрегата для исследования процесса непрерывного смешивания 124
4.2 Физико-механические характеристики исследуемых компонентов 125
4.3 Разработка блока анализа проб для определения концентрации ключевого компонента в смеси 128
4.4 Разработка конструкций дозаторов
4.4.1 Разработка порционных дозаторов 130
4.4.2 Разработка сетчатого дозатора 134
4.4.3 Разработка спирального дозатора 135
4.4.4 Разработка шиберного дозатора 136
4.4.5. Разработка пневмодозатора 137
4.4.6 Разработка дозатора вязких жидкостей 138
4.5 Результаты исследований дозирующих устройств 140
4.5.1 Результаты конструирования и исследования сетчатого дозатора 140
4.5.2 Результаты исследования пневмодозатора 142
4.5.3 Результаты исследования спирального дозатора 144
4.5.4 Результаты исследования порционных дозаторов 146
4.6 Разработка конструкций центробежных смесителей 148
4.6.1 Разработка трехсекционного центробежного смесителя 148
4.6.2 Разработка центробежного смесителя со спиралевидными лопастями на поверхностях ротора 149
4.6.3 Разработка центробежного смесителя для введения в сыпучий материал жидких добавок 151
Результаты и выводы по главе 4 153
Глава 5. Разработка математической модели смесеприготовительного агрегата непрерывного действия 154
5.1 Модели смесителя и функционально-структурные схемы смесеприготовительного агрегата 154
5.2 Математическое описание сигналов, генерируемых дозаторами
5.2.1 Моделирование сигналов дозирующих устройств непрерывного действия 161
5.2.2 Моделирование сигналов порционных дозаторов 168
5.3 Модели смесителей, охваченных контуром положительной обратной связи 168
5.4 Временной метод определения сглаживающей способности вибрационного смесителя 172
5.4.1 Смесительный агрегат, включающий два порционных дозатора, выполненных по патенту № 2059207 172
5.4.2 Смесительный агрегат, включающий порционный дозатор, выполненный по а.с. № 1744489 174
5.5 Частотный метод определения сглаживающей способности вибрационного смесителя 176
5.6 Определение неравномерности расхода готового продукта 179
Результаты и выводы по главе 5 181
Глава 6. Выбор и расчет вибропривода 182
6.1 Выбор типа вибропривода для вертикального винтового вибрационного смесителя 182
6.2 Определение размеров смесителя и вибратора 188
Результаты и выводы по главе 6 192
Основные результаты и выводы 193
Список литературы
- Классификация вибрационных смесителей непрерывного действия
- Анализ схемы движения материальных потоков в усовершенствованном винтовом СНД
- Транспортирование «кипящего» слоя сыпучих материалов по винтовому лотку
- Результаты конструирования и исследования сетчатого дозатора
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В последнее время все большим спросом пользуются пищевые полуфабрикаты из порошкообразных и мелкозернистых сыпучих материалов (СМ). Это смеси из приправ, мучные кондитерские и хлебопекарные полуфабрикаты, сухие напитки, на выпуске которых начинают специализироваться отдельные предприятия. При сокращении номенклатуры рецептур и увеличении масштабов производства процесс их приготовления целесообразно осуществлять в смесеприготовительных агрегатах непрерывного действия. Аналогичная тенденция при приготовлении сыпучих многокомпонентных композиций прослеживается и в других отраслях промышленности.
Одной из основных трудностей при приготовлении смесей по непрерывной схеме является сложность поддержания расхода дозируемых дисперсных компонентов на заданном уровне. Для этого требуются автоматические дозирующие весоизмерительные системы, что часто бывает экономически оправдано только для крупных производств. Второй путь, наиболее приемлемый для предприятий малого и среднего бизнеса, – это использование достаточно простых по конструкции объемных дозаторов дискретного действия, которые, при наличии элементов стабилизации наполнения материалом мерников, по точности сопоставимы с весовыми. Однако их следует применять совместно со специальными устройствами, способными сглаживать флуктуации расходов ингредиентов, или со смесителями, обладающими этим качеством. К последним следует отнести винтовые вертикальные вибрационные смесители непрерывного действия (СНД). Обладая высокой сглаживающей способностью (инерционностью), они позволяют не только хорошо вуалировать концентрационные всплески, но и осуществлять смешивание дисперсных сред с высокой интенсивностью за счет развитой поверхности рабочего органа и организации направленного движения потоков внутри аппарата. Также винтовые смесители можно использовать для предварительного усреднения сухих компонентов при изготовлении увлажненных смесей. Тогда стадию внесения жидких добавок можно оформить центробежными смесителями непрерывного действия.
Степень разработанности темы исследования. Одной из главных проблем при проектировании агрегатов, работающих по непрерывной схеме, является слабая изученность взаимосвязи входных сигналов, формируемых дозаторами, с динамическими характеристиками смесителей. Впервые об этом влиянии на качество готового продукта отметил профессор Ю.И. Макаров. Позднее пристальное внимание этой особенности уделили Иванец В.Н., Федосенков Б.А., Иванец Г.Е., Бакин И.А. и Бородулин Д.М. В целом, разработкой теории непрерывного смешивания занимались Макаров Ю.И., Блиничев В.Н., Кафаров В.В., Дорохов И.И., Зайцев А.И., Першин В.Ф., Таршис М.Ю., Баранцева Е.А., Межуева Л.В., Engels К. Aohema и др. Они опубликовали результаты интересных исследований, но посвященные другим вопросам. Поэтому дальнейшие исследования в этом направлении и создание научно обоснованных конструкций агрегатов для приготовления сыпучих композиций, в том числе и на базе винтовых вертикальных вибрационных смесителей, является актуальной общехозяйственной проблемой.
Цель работы заключается в научном обосновании и практической реализации методологии построения смесеприготовительных агрегатов непрерывного действия для сыпучих композиций, сформированных на основе вертикальных винтовых вибрационных смесителей и дозаторов дискретно-циклического действия.
Задачи исследования.
– Выявить главные факторы, снижающие качество сыпучих композиций, получаемых в агрегатах вибрационного типа непрерывным способом.
– Обосновать целесообразность построения агрегата на базе вертикальных винтовых смесителей для совместной работы с дозаторами дискретно-циклического действия и разработать классификацию вибрационных смесителей непрерывного действия.
На основе корреляционного анализа разработать комплекс математических моделей, оценивающих сглаживающую способность и геометрические параметры винтовых смесителей.
Разработать новые конструкции вертикальных винтовых смесителей вибрационного типа, а также новые конструкции дозаторов дискретно-циклического действия объемного типа для сыпучих дисперсных сред. Провести их исследования.
– Для определения диапазона рациональных режимов совместной работы дозирующего и смесительного оборудования разработать математическое описание вибрационных смесителей с глубокой рециркуляцией и смесителей, состоящих из каскада однотипных элементов.
– Для расширения области применения смесеприготовительных агрегатов вибрационного типа дополнительно разработать смесители непрерывного действия, позволяющие реализовывать метод «последовательного разбавления», разрушать конгломераты из частиц или вводить небольшие объемы жидкости в дисперсные среды без потери ими сыпучести.
- Определить условия создания виброкипящего слоя на рабочем органе
смесителя и диапазон рациональных параметров колебаний. Произвести анализ
области применения виброприводов с целью выбора осциллятора для совмест
ной работы с винтовыми вертикальными смесителями. Разработать методику
расчета вибросмесителя.
- Экспериментально изучить возможность получения ряда сухих дис
персных композиций с помощью вертикальных винтовых вибрационных сме
сителей в условиях производства. Разработать аппаратурное оформление ста
дии получения сыпучих композиций.
Научная новизна работы. Установлены главные факторы, влияющие на качество готовых сыпучих композиций, которые позволили сформулировать общий принцип построения смесеприготовительных агрегатов для сыпучих композиций.
Разработана классификация смесителей вибрационного типа для сыпучих и пастообразных материалов по принципу их действия.
Разработаны математические модели вибросмесителей с различной топологией материальных потоков на основе теории стохастических процессов,
предназначенные для оценки их сглаживающей способности и геометрических параметров.
В результате экспериментально-теоретических исследований установлены рациональные параметры вибрационного смешивания и соотношения геометрических размеров рабочего органа разработанных конструкций смесителей. Получены зависимости производительности и погрешности работы новых конструкций дозирующих устройств.
Обоснован выбор двухвальных инерционных осцилляторов в качестве вибропривода смесителей, которые наилучшим образом обеспечивают требуемые параметры колебаний.
Разработаны математические модели расходовых сигналов дозаторов дискретно-циклического действия, вибрационных смесителей, состоящих из каскада однотипных элементов, и с глубокой рециркуляцией, необходимые для согласования их работы в агрегате.
Теоретическая и практическая значимость работы. Сформулирован общий принцип построения смесеприготовительных агрегатов для сыпучих композиций. Разработаны двенадцать оригинальных конструкций вибрационных и центробежных смесителей, пяти дозаторов объемного типа. Их промышленное использование позволяет интенсифицировать процесс и снизить энергоемкость. Предложен комплекс математических моделей и методик расчёта фрагментов вибрационного смесительного агрегата для расчета их оптимальных режимных и конструктивных параметров работы.
С участием автора в период с 1992 по 2014 г.г. разработано аппаратурное оформление непрерывных процессов смешивания сыпучих материалов в технологических схемах получения: пенопласта ПАИ-1К и композиции 03-010-02 производительностью 500 кг/ч в НПО «Карболит», г. Кемерово; комбикорма для кур-несушек производительностью 400 кг/ч на птицефабрике «Кемеровская», г. Кемерово; брикетируемого киселя производительностью 350 кг/час, г. Топки, Кемеровская область; сухой штукатурки, г. Новоалтайск, Алтайский край; в производстве сахарного печенья в холдинге «Алтайские закрома», г. Барнаул и производстве киселей в ООО НПО «Здоровое питание», г. Кемерово.
Отдельные аспекты диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке бакалавров, магистрантов и аспирантов на кафедре «Технологическое проектирование пищевых производств».
В диссертации обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных Шушпанниковым в период с 1988 по 2015 г.г. лично или при его непосредственном участии в госбюджетных темах, в хоздоговорных НИР, при написании своей кандидатской диссертации и при подготовке под его руководством двух кандидатов технических наук.
Методология и методы исследования. При создании методов построения смесеприготовительного агрегата использовался системный подход, являющийся общенаучной методологией изучения объектов. В его основе лежит рассмотрение агрегата, состоящего из дозаторов, смесителей, питающе-формирующих узлов и т.д., в виде комплекса взаимосвязанных элементов.
При изучении процесса получения сухих смесей и его описании использованы и методы эмпирического исследования, наблюдение и эксперимент, и методы теоретического познания. В качестве последних применены элементы теории автоматического управления и случайных процессов, методы математического моделирования, математической статистики, планирования эксперимента и современные компьютерные технологии.
Положения, выносимые на защиту. Оригинальные конструкции дозаторов объемного типа и вертикальных винтовых вибрационных смесителей и результаты их экспериментальных исследований; математические модели вибросмесителей, разработанные на основе теории стохастических процессов, предназначенные для оценки их сглаживающей способности и геометрических параметров аппаратов с различной топологией материальных потоков; математическое описание процесса получения сыпучих композиций в смесеприготовительных агрегатах непрерывного действия на основе теории автоматического управления для определения диапазона рациональных режимов совместной работы дозирующего и смесительного оборудования; методики расчета вертикальных винтовых вибрационных смесителей.
Степень достоверности и апробация результатов. Основные положения работы в период с 1989 по 2014 год докладывались и обсуждались:
– на отраслевом совещании «Задачи и проблемы производства фенопластов в новых условиях хозяйствования», Кемерово, 1989;
– на всесоюзных конференциях: «Технология сыпучих материалов», Ярославль, 1990; «Теоретические и практические аспекты применения методов инженерной физико-химической механики с целью совершенствования и интенсификации технологических процессов пищевых производств», Москва, 1990; «Проблемы влияния тепловой обработки на пищевую ценность продуктов питания», Харьков, 1990; «Механика сыпучих материалов», Одесса, 1991; «Разработка комбинированных продуктов питания», Кемерово, 1991; «Совершенствование техники и технологии в пищевых отраслях промышленности», Кемерово, 1994; «Комбинированные пищевые продукты», Кемерово, 1996; «Нетрадиционные технологии и способы производства пищевых продуктов», Кемерово, 1997;
– на международных конференциях: «Живые системы и биологическая безопасность населения», Москва, 2013; «Science, Technology and Higher Education», Canada, Westwood, 2013; «Global Science and Innovation», USA, Chicago, 2013; «European Science and Technology», Germany, Munich, 2013; «Перспективное развитие науки, техники и технологий», Курск, 2013; «Пищевые инновации и биотехнологии», Кемерово, 2014.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 68 работах: в автореферате канд техн. наук, в 2 депонированных статьях; в 32 материалах конференций; в монографии; в 16 статьях в журналах, рекомендованных ВАК для публикаций результатов докторских и кандидатских диссертаций, получено 16 авторских свидетельств и патентов на изобретения.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 6 глав, основных результатов и выводов, списка литературы и приложения. Основное содержание изложено на 222 страницах машинописного текста. Диссертация
содержит 112 рисунков и 15 таблиц. Список литературы включает 264 наименования.
Классификация вибрационных смесителей непрерывного действия
В смесителе, в результате воздействия рабочего органа на сыпучую массу, происходит взаимное перемещение частиц разных компонентов, при этом их концентрация в произвольных точках композиции - величина случайная. Поэтому большинство современных методов оценки качества смеси (однородности) основаны на методах статистического анализа.
К числовым характеристикам законов распределения концентрации, получивших наибольшее распространение, относятся: дисперсия а2, среднеквадратичное отклонение а и коэффициент вариации Vc. Существуют и другие менее употребимые критерии оценки, например, мера рассеивания, интенсивность сегрегации, параметр нецентральности и др. Сводную таблицу этих параметров, предложенных различными авторами, привел в своей книге Ю.И. Макаров [134].
Анализировать законы распределения нескольких случайных величин достаточно сложно. Для упрощения оценки - смесь условно считают двухкомпонентной, т.е. из общего объема выделяют один какой-то компонент, называемый ключевым, а все остальные объединяют и считают фоновым. По степени изменения концентрации ключевого компонента в массе фонового и судят о качестве смеси. Для оценки качества смешивания композиций, содержащих различное соотношение ключевого и фонового компонентов, пользоваться величинами а некорректно, так как даже при одинаковой степени однородности они будут иметь различные значения. Поэтому для оценки качества смешивания (однородности смеси) проф. Ластовцев А.М. предложил применять величину а в ее относительной форме, т.е. в виде коэффициента вариации, общепринятое название которого - коэффициент неоднородности (Кс) п
Чем меньше величина коэффициента неоднородности, тем лучше качество смеси. При идеальном смешивании Vc = 0. В лучших конструкциях современных смесителей удается получать композиции с Vc=l+2 %. Их качество считается плохим, если Vc = 15+33 %. Неудовлетворительным - при Vc 33 % [134].
Дозирование в СНД осуществляется по объёму или по весу непрерывно или дискретно-циклически [47, 48, 61, 62, 112, 140, 152, 173, 180, 201].
В устройствах, реализующих объёмный способ, масса дозируемого материала пропорциональна его насыпной плотности, которая может изменяться во времени (явление гигроскопичности, уплотнение, слёживание и т.д.). В целом, погрешность этого способа выше, но конструкции этих устройств гораздо проще и имеют большую производительность.
К устройствам объемного типа относятся шнековые, барабанные, тарельчатые, ленточные, вибрационные и др. питатели. Их основное назначение - подача материала из бункера в технологическое оборудование (питание). Однако, в ряде случаев, погрешность дозирования может достигать 20% и более.
Объёмные дозаторы дискретно-циклического действия имеют значительно меньшую погрешность (г) 4 %) и при дозировании хорошо сыпучих материалов по этому параметру приближаются к весовым (г 0,5 %). У них мерные сосуды циклически загружаются сырьем из бункера, а, затем, разгружаются в аппарат. Производительность дозатора меняют временем цикла или объёмом порции. На рисунке 1.2 показан мерник, у которого объём регулируют путём изменения его высоты. Производя тарирование мерной ёмкости по разным материалам (или по изменяемым входным параметрам для одного и того же материала), на ней наносят шкалу, упрощающую настройку дозатора для получения заданного расхода.
Для стабилизации насыпной плотности материала в мернике, которая может меняться в широких пределах и зависит от содержания в нём влаги, гранулометрического состава, формы частиц, плотности их укладки и других показателей, а также при дозировании плохо сыпучего материала, склонного к сводообразова-нию, в конструкцию дозатора вводят побудители потока. Они обеспечивают постоянную скорость наполнения приёмника, что существенно снижает погрешность дозирования и расширяет сферу применения этих устройств. Тем не менее, лучшие результаты при дискретном дозировании объёмным способом достигаются для хорошо сыпучих материалов с постоянным гранулометрическим составом, не склонных к комкованию и слёживанию. Применение этого способа существенно упрощает процесс дозирования, а устройства, реализующие его, отличаются простотой конструкции, надёжностью и удобством в эксплуатации. Следует отметить, что производительность объёмных дозаторов на порядок выше, чем весовых.
Весовой способ дозирования является более точным, чем объёмный, поскольку масса порции не зависит от выше перечисленных факторов. В устройствах, использующих этот способ, процесс дозирования состоит из трёх этапов: воздействия взвешиваемого материала на чувствительный элемент; его преобразование в численное значение; регистрация. Этот способ применяют на предприятиях, работа которых немыслима без хорошо налаженной системы контроля и учета массы продукции на всех стадиях технологического процесса - от приёмки до выпуска готовой продукции. Его высокая точность, плюс электронная аппаратура, обеспечивают комплексную автоматизацию технологических процессов, в которых, для составления сложных смесей, стабильность потоков нескольких компонентов поддерживается регулирующей аппаратурой в заранее заданной пропорции. Однако использование весоизмерительного оборудования требует квалифицированного обслуживания и надлежащего метрологического обеспечения [47, 48, 61, 112, 140, 152, 180].
В идеале, дозирующее устройство, работая в непрерывном режиме, должно обладать постоянным весовым (объемным) расходом (т = const), не изменяющимся во времени (т). При этом форма генерируемого им сигнала представляет собой горизонтальную прямую (рисунок 1.4, а), находящуюся над осью абсцисс на расстоянии величины расхода т (т = mj = const). В этом случае погрешности дозирования, оцениваемые дисперсией и коэффициентом вариации, равны нулю (а2 = 0, л = 0 %). В реальном процессе (1.4 б-д), когда наблюдаются флуктуации текущего расхода материала (т Ф const) относительно его среднего значения (т2_5 = const), особенно при использовании в составе смесеприготовительного агрегата питателей объемного типа (1.4 в-г) или дозаторов дискретного действия (1.4 д), статистические погрешности дозирования а2 и г положительны [45, 52, 53]. Т.е. любое колебание расхода ингредиентов на входе в смеситель непрерывного действия, вызывает изменение рецептуры готового продукта на его выходе. В целом, на однородность композиции, получаемой в смесителях непрерывного действия (СНД), в основном влияют два фактора: неравномерность подачи в него сырья и процесс фактического перераспределения частиц ингредиентов в аппарате. Тогда дисперсию а2 готовой композиции можно определить как сумму двух независимых составляющих [32, 45]:
Анализ схемы движения материальных потоков в усовершенствованном винтовом СНД
Принимая, например, a = 1/2 и ОСi = 2/3, вычислим расходы витков: Х5 (t) = ЗХ0 (t), Х4 (t) = 6Х0 (t), Х3 (t) = 8Х0 (t), Х2 (0 = 7 О Х0 (t), Х7 (7) = 12Х0 (t). Анализ зависимостей с (2-25) по (2-29) показывает, что изменение коэффициента рециркуляции нижнего витка а„ не повышает равномерность расходов и высоту слоя СМ на витках, что подтверждено экспериментальными исследованиями.
Таким образом, неравномерность расходов дисперсной фазы по виткам и, в целом, неустойчивая работа прямоточных винтовых СНД с рециркуляцией, несмотря на то, что они обладают высокой способностью сглаживать флуктуации расходов питающих потоков, делают нецелесообразным продолжение работ по дальнейшей разработке этих аппаратов.
Разработка и исследование смесителей вибрационного типа показывает преимущество винтовых подъемных аппаратов, описание конструкций которых приведено в третьей главе, перед прямоточными. Для них характерны постоянство высоты слоя дисперсной фазы на витках и высокая стабильность процесса смешивания. В этом разделе с помощью корреляционного анализа проведена оценка их способности сглаживать неравномерность расходов входящих потоков.
В качестве базовой схемы (рисунок 2.5) примем топологию движения дисперсной массы, организованную в конструкциях винтовых (лотковых) подъемных смесителях непрерывного действия [6] (рисунок 1.19), [11] (рисунок 3.3) и [159] (рисунок 3.4). В них реализован способ переработки сыпучих материалов в относительно тонком виброкипящем слое (20-50 мм) при его движении вверх по спиральному рабочему органу, интенсивно виброактивирующего дисперсную систему. Это позволяет при небольших габаритах аппаратов и потребляемой мощности существенно сократить время смешивания, которое определяется отношением протяженности лотка к скорости транспортирования материала и, в большинстве случаев, не превышает двух минут. На схеме прямоугольниками обозначены витки рабочего органа, стрелками - направление движения сыпучего материала.
Ведем условные обозначения: Xi = ХІ (t) - случайная величина, характеризующая массовый расход материала сошедшего с /-го витка; Х0 - массовый расход дисперсной фазы на входе в смеситель; Хв - массовый расход дисперсной фазы, выходящей из смесителя; t - время; / = 1, 2, ...,«- порядковый номер витка; ai+1 =Х IXi - коэффициент внутренней (меж витковой) рециркуляции материала, 0 a1+i 1; Р = (ХИ -Хв)/Хп - коэффициент «внешней» рециркуляции, 0 р 1.
Исходные компоненты и часть готовой смеси с расходами соответственно Хо и Хи подаются в нижнюю часть смесителя (рисунок 2.5) на первый нижний сплошной виток, где под действием направленных колебаний начинают перемещаться по спиральному рабочему органу вверх. Примем расход СМ, переходящего с любого витка / на виток расположенный выше, как . Часть этого материала 1+їХі просыпается (возвращается) на него сверху через перфорацию. Коэффициент внутренней рециркуляции i+i равен отношению расходов просыпавшегося через отверстия верхнего витка Xо т+f материала к величине, поступившей на него с нижнего Xi (ai+1=Xо т в /Xt). Рассекатель, установленный на верхнем витке, сбрасывает часть готового продукта в загрузочный бункер. Отношение расхода этой части к величине, поступившей на разделение X», равно коэффициенту внешней рециркуляции ( = (Х„ -Хв) /Х„).
Высота виброкипящего слоя материала на витках смешивающего органа зависит от скорости транспортирования, производительности дозирующего оборудования Хо, расхода через перфорацию [+\Х и положения рассекателя Х„.
Полагая, что взаимная корреляция потоков отсутствует {КХІХІ+І = О при izH+1), т.е. нет процесса усреднения смеси при ее движении под действием вибрации по рабочему органу, рассмотрим влияние рециркуляции на инерционные (сглаживающие) свойства аппарата. Для этого запишем систему уравнений материального баланса, отражающую процесс движения дисперсной фазы в СНД: f Х1=Х0+а2Х1+$Хп Х2 =Х1-а2Х1+а3Х2=(1-а2)Х1+а3Х2 Х3=Х2-а3Х2+а4Х3 =(1-а3)Х2+а4Х3 ХІ = (1-а Х +амХ (2-30) Хп-1 хп хв (7-аи_7)Хи_2+аиХи_7 (l-an)Xn_j лв={1-$)Х Система, определяющая корреляционные функции п витков, будет иметь вид: Г (2-31) Кхг:(т) = Kxi - корреляционные функции материальных потоков; т - интервал корреляции. Решить систему уравнений (2-31) относительно Кхв() для неопределенного числа витков п затруднительно. Поэтому используем индуктивный метод изучения корреляционной модели - способ умозаключений, основанный на принципе «от частного к общему». Для этого ограничим п несколькими малыми целыми значениями.
Транспортирование «кипящего» слоя сыпучих материалов по винтовому лотку
Скоростные параметры вибротранспортирования сыпучих материалов и расходные характеристики отверстий необходимы для определения производительности смесителя и ширины лотка рабочего органа (3-5). Они зависят от физико-механических свойств дисперсных материалов и направления их движения (вверх или вниз по винтовому лотку), от высоты слоя и площади перфорации, от параметров колебаний и угла наклона витка [230, 240, 244, 252].
Из уравнения неразрывности потока следует, что с увеличением скорости перемещения сухих дисперсных композиций по рабочему органу аппарата увеличивается его производительность или при неизменной производительности уменьшается живое сечение потока.
Мы провели комплекс экспериментальных исследований влияния различных факторов на скорость перемещения сыпучих материалов и их смесей, перечень которых приведен в главе 4 (таблицы 4.1-4.2).
Их анализ показал, что в целом однозначно соблюдаются следующие закономерности: мелко зернистые хорошо сыпучие материалы имеют большую скорость перемещения, а высокодисперсные и порошкообразные - меньшую; отмечено определенное соблюдение правила аддитивности, когда увеличение в смеси доли какого-либо компонента изменяет скорость движения композиции по рабочему органу аппарата; скорость вибротранспортирования растет с увеличением частоты, амплитуды колебаний и площади перфорации рабочей поверхности винтового лотка; 108 скорость перемещения уменьшается с ростом высоты виброкипящего слоя на витках; скорость перемещения СМ вверх по лотку падает с увеличением угла подъема его винтовой линии, особенно существенно более 8о. для проектирования аппарата «под конкретную смесь» необходимо экспериментально определять скорость для этой рецептуры, т.к. спектр свойств композиций огромен, а количество сочетаний ингредиентов и их пропорций в смесях очень велико.
В качестве примера, на рисунках 3.15 - 3.17 представлены графические зависимости скорости вибротранспортирования вверх по наклонному желобу (с углом наклона 5=4о30Л) от частоты и амплитуды (с углом вибрации ф=45) сахара-песка, картофельного крахмала и их смеси в соотношении 2:1, которая может быть использована как полуфабрикат в производстве киселя.
Анализ рисунков показывает, что заданную скорость можно получить при различных сочетаниях величин основных параметров режима работы вибрационной установки: амплитуды и частоты колебаний.
Иногда исследователи приводят зависимости скорости транспортирования дисперсных сред от вибрационного ускорения [27, 107], как усеченный вариант представления результатов экспериментальных
На рисунках 3.18 и 3.19 представлены графические зависимости скорости транспортирования и некоторых зернистых (дисперсность 200 2000 мкм) и порошкообразных материалов (дисперсность 30-200 мкм) от критерия вибрации К, которые были аппроксимированы полиномами 2-ой и 3-й степени:
Сыпучий материал, возвращаемый через перфорацию верхних витков смесителя на расположенные ниже, увеличивает сглаживающую способность аппарата. Одновременно с этим рециркуляция увеличивает живое сечение потока движущегося по рабочему органу (рисунок 3.11 и ф-ла 3-5). Для расчета возвращаемой части и ширины винтового лотка необходимо знать производительность отверстий Хотв.
Экспериментальные исследования по определению производительности отверстий разного диаметра проводились нами на материалах с широким спектром физико-механических свойств и некоторых их смесях. Опытным путем было установлено, что устойчивое истечение плохо сыпучих материалов, таких как сухое молоко, мука, крахмал в условиях вибрационного смешивания происходит только через отверстия диаметром не менее 8 мм. Поэтому этот размер принят нами в качестве нижней границы для всего спектра используемых материалов. Увеличение диаметра перфорации более 16 мм не целесообразно, т.к. это приводит к существенному уменьшению количества отверстий на витке, создающих рециркулирующие потоки.
Анализ результатов экспериментов показал, что в исследуемом диапазоне режимных параметров смесителя пропускная способность отверстий, с увеличением частоты f и амплитуды A колебаний может как расти, так и падать. Рост производительности отверстий наблюдается при малых вибрационных ускорениях (таблица 3.1) у плохо сыпучих, порошкообразных материалов и смесей на их основе, который при этих значениях ускорений отсутствует у хорошо сыпучих сред. Это связано с нарушением прочности контакта между частицами и увеличением их подвижности (формула 1-7).
Далее, после «разжижения» слоя, с увеличением параметров колебаний и появления эффекта виброкипения, производительность отверстий падает. В первую очередь, это связано с уменьшением их эффективного диаметра, а также с насосным эффектом вибрирующего слоя, когда воздух, проникающий под слой материала через перфорацию, препятствует истечению.
На рисунках 3.20 - 3.22 в качестве примера представлены зависимости пропускной способности отверстий диаметром 8 мм и 12 мм сахара-песка, картофельного крахмала и их смеси в соотношении 2:1 от частоты и амплитуды колебаний лотка при движении этих сред вверх по лотку, наклоненного к горизонту под углом 4о30\ Пространственные винтовые колебания с углом вибрации равным 45о создавались инерционным двухвальным 4-х дебалансным вибратором.
В целом однозначно соблюдаются следующие закономерности истечения дисперсных сред через вибрирующее отверстие: расход мелко зернистых хорошо сыпучих материалов больше, чем высокодисперсных и порошкообразных; отмечено определенное соблюдение правила аддитивности, когда увеличение в смеси доли какого-либо компонента изменяет расходную характеристику отверстия; для просеивания через перфорацию плохо сыпучих материалов и смесей на их основе необходимо создавать значительные (до 20g) вибрационные ускорения; с наступлением состояния виброкипения расход сыпучего материала уменьшается с увеличением частоты, амплитуды колебаний и высоты слоя;
Ширина Ъ витка смесителя является главным определяющим фактором внешнего диаметра аппарата. Для ее нахождения (прямая задача) необходимо знать производительность дозирующего оборудования Х0, коэффициенты внешней Р и внутренней рециркуляции , частоту /и амплитуду А вынужденных колебаний, плотность рс и высоту hc неподвижного слоя СМ на лотке. Также можно определить количество отверстий к, обеспечивающих требуемую величину внутренней рециркуляции и производительность витка.
Результаты конструирования и исследования сетчатого дозатора
Профессор Макаров Ю.И. в своей книге [134] представил СНД как звено регулирования, обладающее ярко выраженными свойствами низкочастотного фильтра. Он доказал, что процесс непрерывного смесеприготовления можно описать моделями, включающими соответствующие комбинации последовательных и параллельных участков идеального вытеснения и смешения. Позднее, в ряде публикаций профессоров Иванца В.Н., Федосенкова Б.А., Иванец Г.Е. была продемонстрирована возможность моделирования реальных смесителей сочетанием схем, содержащих инерционные (апериодические) звенья и звенья чистого запаздывания. Для количественного анализа их функционирования аппараты могут интерпретироваться моделями в виде апериодических звеньев первого или второго по 155 рядка (5-1), т.к. высокие частоты входных концентраций хорошо сглаживаются СНД, а низкочастотные составляющие пропускаются (фильтруются) на выход с соответствующими коэффициентами передачи. Я- () = ; WC(S)= , К (5-1) TS + Ґ T22S%+TjS + l где WC(S) - передаточная функция смесителя; К= 0,92-1,1 - коэффициент передачи; ТІ - постоянные времени модели СНД (Т22 = Т3Т4; Т} = Т3+Т4 ). Для дальнейшего выявления согласованных режимов работы смесительного и дозирующего оборудования необходимо установить параметры (ТІ) передаточной функции (ПФ) смесителя, соответствующие его различным геометрическим параметрам, режимам работы и используемым сыпучим материалам (СМ), исследуя характер функции распределения времени пребывания (ФРВП) частиц дисперсной фазы в аппарате. Их определяют графоаналитическим способом путем регистрации реакции системы на импульсное внешнее воздействие с последующим интегрированием и анализом получившихся кумулятивных кривых по хорошо известной методике [114, 134]. Для выявления согласованных режимов, необходимо знать передаточные свойства и других фрагментов СМПА, а также составить структурную схему агрегата, которая во многом определяет адекватность его математического описания.
В результате продолжительных исследований процесса непрерывного смешивания дисперсных материалов предложена обобщенная двухступенчатая структурная схема агрегата (рисунок 5.1), реализующая большинство задач, возникающих при приготовлении сыпучих смесей. Первая ступень (основная) содержит блок дозирующих устройств (Ді, Д2, …, Дп), работающих согласно-параллельно на суммирующий элемент (СЭі), передаточно-формирующий узел (ПФУ), представляющий собой питатель преобразующего типа, и смеситель непрерывного действия (СНДі). Вторая (дополнительная) - дозатор Дт и смеситель СНДг. Основная ступень может работать самостоятельно или совместно со второй, включение которой в состав СМПА целесообразно в определенных случаях. Во-первых, когда расход одного из компонентов сравним или существенно пре 156 вышает суммарный расход остальных, тогда часть его или весь помещают в доза тор Дm и с помощью двух смесителей осуществляют метод «последовательного разбавления». Во-вторых, если флуктуации расходов ингредиентов XД1(t),...,XДn (t) велики, то их предварительно сглаживают с помощью СНД1, а смесь заданного качества получают в СНД2. В-третьих, применение второй ступени необходимо и при введении в дисперсную фазу небольшой доли жидкости. С ее равномерным распределением в сухой дисперсной среде лучше справляются специализированные смесители. Например, мы использовали для этого центробежные смесители-диспергаторы [30, 31, 157, 158, 163].
На основании законов преобразования структурных схем передаточная функция всей системы WS (S) будет иметь вид:
С целью увеличения инерционности СНД (способности сглаживать флуктуации расходов ингредиентов), его охватывают контуром обратной связи. В винтовых аппаратах, например, изображенном на рисунке 3.4, он реализован цепочкой: делитель потока готовой композиции, установленный на верхнем витке рабочего органа, отверстие, выполненное в стенке колонны, загрузочный бункер. Такую связь следует относить к положительной обратной связи, при которой изменение выходного сигнала системы приводит к дальнейшему его отклонению от перво 158 начального значения. Ее наличие часто ведет к появлению на кривой отклика дополнительных концентрационных всплесков (рисунок 1.5, г).
Структурная схема смесителя, охваченного контуром положительной обратной связи, приведена на рисунке 5.3. Делитель потока представляет собой аттенюатор, который состоит из двух безынерционных звеньев B-R (выход-рецикл). Он делит поток готовой смеси в пропорции Xвых(t) : XR(t). Последняя часть и ингредиенты из блока дозирующих устройств XБД (t) поступают на суммирующий элемент (СЭ) и винтовой рабочий орган смесителя непрерывного действия (СНД). Тогда передаточная функция аппарата примет вид:
Интерпретация СНД выражением (5-5) целесообразна при появлении на кривой «отклика» (рисунок 5.9) выраженных вторичных концентрационных всплесков. Обычно это происходит, если доля рецикла R при делении потока превышает 50 %.
В разделе 5.3 приводится пример определения параметров передаточных функций винтовых вибрационных СНД охваченных глубокой положительной обратной связью при дискретной подаче в него ингредиентов, математическое которых описание изложено в разделе 5.2. Однако исследования привели к заключению о нецелесообразности широкого использования внешнего рецикл-канала (контур положительной обратной связи) для увеличения инерционности СНД. Де 159 тальное изучение процессов, происходящих на рабочем органе лотковых вибрационных аппаратах, в последующем позволило предложить новую структурную схему (рисунок 5.4), основанную на подобии процессов смешивания на его витках.