Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретические основы процесса смесеприготовления и его аппаратурного обеспечения 11
1.1. Общая характеристика процессов смешения дисперсных сыпучих материалов 11
1.2 Конструктивное развитие смесительного оборудования 22
1.3. Проблемы математического моделирования процесса смесеприготовления 41
Глава 2. Моделирование процесса смешивания в периодическом смесителе центробежного типа 48
2.1 Модель структуры материальных потоков 48
2.2 Моделирование процесса периодического смешивания в центробежном конусном смесителе 59
Глава 3. Аппаратурное и методическое обеспечение экспериментальных исследований 66
3.1. Описание лабораторно-исследовательского стенда 66
3.2. Дозировочное оборудование стенда 68
3.3. Обоснование новой конструкции центробежного смесителя - диспергатора 72
3.4. Приборы для измерения скорости газовоздушного потока 75
3.5. Методика определения концентрации ферромагнитного трассера в смеси 77
3.6. Методика отбора проб из смеси 78
3.7. Методика определения характерного размера частиц 80
3.8. Материалы, используемые в экспериментальных исследованиях 81
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований центробежного смесителя 84
4.1. Определение рациональных параметров работы центробежного смесителя - диспергатора 84
4.1.1. Определение минимальной частоты вращения полого конуса 84
4.1.2. Определение средней скорости движения материала по внутренней поверхности вращающегося полого конуса 86
4.1.3. Определение рациональных геометрических размеров окон конуса 88
4.2. Гидродинамическая структура воздушных потоков в аппарате 90
4.3. Изучение факторов, влияющих на качество смешивания в центробежном смесителе - диспергаторе 95
4.3.1. Изучение влияния соотношения смешиваемых компонентов на качество получаемой смеси 95
4.3.2. Изучение влияния увлажнения основного компонента на качество получаемой смеси 97
4.3.3. Влияние на качество смешивания технологических факторов 99
4.4. Изучение факторов, влияющих на диспергирующую способность центробежного смесителя - диспергатора 103
4.4.1. Влияние режимных и конструктивных параметров на диспергирующую способность 103
4.4.2. Влияние геометрии ротора и свойств смешиваемых материалов на диспергирующую способность 108
4.5. Проверка на адекватность математической модели 113
4.6. Практическая реализация работы 118
4.6.1. Методика расчета центробежного смесителя - диспергатора 118
4.6.2. Аппаратурное оформление производства посолочных композиций для мясных полуфабрикатов 122
Основные результаты работы и выводы 128
Литература 129
Приложения 140
- Проблемы математического моделирования процесса смесеприготовления
- Моделирование процесса периодического смешивания в центробежном конусном смесителе
- Обоснование новой конструкции центробежного смесителя - диспергатора
- Гидродинамическая структура воздушных потоков в аппарате
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Реализация концепции государственной политики в области здорового питания населения РФ предусматривает увеличение производства витаминов, биологически активных добавок (БАД), создание обогащенной пищевой продукции и улучшение структуры ее потребления. При этом главное внимание обращается на качество пищевых продуктов и их соответствие медико-биологическим требованиям.
В настоящее время в НИИ и ведущих вузах пищевого профиля уже разработаны принципиально новые, энергетически выгодные технологии, обеспечивающие комплексную безотходную переработку как традиционного, так и «вторичного» сырья, производство экологически безопасных продуктов питания, обогащенных витаминами и БАД, с учетом различных возрастных потребностей и состояния здоровья населения.
Так, например, проблема производства сухих многокомпонентных смесей (академик Харитонов Д.В.) весьма актуальна для молочной промышленности [90]. В настоящее время наибольшее распространение получил способ, при котором компоненты смешивают в жидком виде и затем высушивают на распылительных или пленочных сушилках. Недостатком этого способа является разрушение термолабильных витаминов в процессе сушки. Способ сухого смешивания исходных компонентов в смесителях менее распространен. В последнем случае основную сложность представляет получение продукта с заданными микробиологическими показателями. Однако достаточно простое аппаратурное оформление при данном способе делает его весьма перспективным.
ВНИИМП (академик Лисицын А.Б.) предлагает кормовые белково-минеральные добавки с комплексным использованием «вторичных» продуктов пищевых отраслей. Здесь разработаны технологии сухих многокомпонентных смесей с их использованием.
В МГУПБе (академик Рогов И.А.) созданы методы и технологии получения безопасных продуктов питания. Здесь же разработана трехкомпонентная белково-углеводно-жировая композиция на основе растительного сырья, (проф. Титов Е.И.).
В НИИ хлебопекарной промышленности предложены технологии производства новых видов хлебобулочных изделий повышенной биологической и пищевой ценности [79], разработаны рецептуры композитных смесей с подсластителями, пшеничными зародышевыми хлопьями, соевой мукой, сухим соевым молоком, витаминно-минеральными добавками.
С учетом низкой платежеспособностьи населения производство продуктов, обогащенных витаминами, БАД и минеральными добавками, помогает решить задачу по обеспечению доступного для большинства населения уровня соотношения цена/ качество.
Неблагоприятная экологическая обстановка, сложившаяся в Кузбассе, осложняется несбалансированностью рациона и отсутствием в нем нужного количества витаминов, микро- и макроэлементов. Это вызывает необходимость обогащения продуктов питания биологически ценными компонентами,
При производстве сухих и увлажненных комбинированных продуктов питания одной из основных проблем является равномерное распределение различных добавок (витамины, БАД, наполнители, стабилизаторы, ароматизаторы и т.д.), вносимых в небольших количествах (0,01-1%), по всему объему смеси.
Аналогичную проблему приходится решать в других отраслях промышленности (химическая, электротехническая, строительная, авиакосмическая), например, при производстве новых композиционных материалов, различных шихт для получения стекла и искусственных алмазов, электронных и электротехнических изделий и т.п.
Поэтому рассматриваемая нами проблема является межотраслевой.
Для решения этой задачи в промышленности вынуждены использовать исходные компоненты не только в мелкозернистом, но и дисперсном состоянии. В последнем случае они как при хранении, так и в процессе смешивания способны образовывать конгломераты из частиц.
Смесители, выпускаемое серийно, как правило, не способны их разрушать или делают это с большими затратами энергии и времени. Однако высокая интенсивность и эффективность процесса смешивания дисперсных и мелкозернистых материалов могут быть обеспечены только при надежном разрушении конгломератов частиц. Поэтому высокое качество смеси в этом случае может быть получено только при совмещении процессов смешивания и диспергирования в одном аппарате. Определенные трудности возникают и при равномерном распределении небольших по объему жидких добавок в основной массе смеси.
Для интенсификации процесса смешивания необходимо использовать такие пути и подходы, которые позволили бы увеличить турбулизацию и циркуляцию смешиваемых потоков, при одновременном снижении энергопотребления и металлоемкости. Среди данного типа оборудования наиболее зарекомендовали себя конусные смесители-диспергаторы центробежного типа.
В этом случае конструктивное исполнение ротора в виде вращающегося конуса обеспечивает смешивание в тонких, разреженных, пересекающихся слоях, позволяет организовать их направленное движение с использованием рециклов. Это обстоятельство, в свою очередь, дает возможность получать качественные смеси при большой разнице концентраций смешиваемых компонентов (до 1:400).
Незавершенность исследований по этим вопросам сдерживает разработку новых конструкций смесителей-диспергаторов центробежного типа, которые бы более полно отвечали требованиям каждого конкретного производства.
Поэтому разработка эффективных малогабаритных смесителей-диспергаторов центробежного типа с конусным ротором для переработки мелкозернистых и дисперсных материалов (при соотношении смешиваемых компонентов 1:100 и более), создание теории и методики их расчета является актуальной научной задачей, представляющей большой практический интерес для пищевой и ряда других отраслей промышленности.
Диссертационная работа подготовлена во исполнение гранта Министерства образования РФ Т02-06.7 - 1238 «Научно-практические основы разработки смесителей центробежного типа с регулируемой инерционностью для получения сухих и увлажненных композиционных материалов» и плана НИР КемТИПП № 2005/4 «Теоретические и практические аспекты процессов смешивания и гомогенизации в производстве мясных комбинированных продуктов питания».
Цель работы. Разработка новой конструкции высокоэффективного смесителя диспергатора центробежного типа с направленной организацией движения потоков, для получения сухих и увлажненных комбинированных смесей (соотношение компонентов 1:100 и более) на основе анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований процессов смешивания и дозирования.
Задачи исследований. В соответствии с поставленной целью в настоящей работе решались следующие основные задачи:
- математическое моделирование процесса смешивания в центробежном смесителе периодического действия с различной топологией материальных потоков с использованием теории цепей Маркова;
- исследование влияния различных факторов на процессы смешивания и диспергирования с целью нахождения их рациональных значений; - разработка новой конструкции центробежного смесителя-диспергатора периодического действия с направленной организацией движения материальных потоков, обеспечивающего получение качественных смесей при соотношении смешиваемых компонентов 1:100 и более;
- проверка полученных математических моделей на адекватность реальному процессу.
- разработка алгоритма расчета предложенной конструкции центробежного смесителя-диспергатора;
- разработка аппаратурного оформления стадий смешивания дисперсных композиций для получения некоторых комбинированных смесей.
Научная новизна. Создана математическая модель процесса смешивания в аппарате центробежного типа периодического действия с направленной организацией движения материальных потоков; получены регрессионные модели, описывающие влияние различных параметров на процессы смешивания и диспергирования в разработанной нами новой конструкции аппарата; предложен алгоритм расчета на ЭВМ рациональных конструктивных и динамических параметров центробежного смесителя периодического действия.
Практическая ценность и реализация результатов. Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований процессов смешивания и диспергирования сухих и увлажненных комбинированных смесей позволил разработать новую конструкцию центробежного смесителя-диспергатора периодического действия с направленной топологией материальных потоков в нем, обеспечивающую получение смеси заданного качества. Подана заявка № 2006105599/ 15 от 14.02.2006 г. на выдачу патента РФ на изобретение «Центробежный смеситель - диспергатор».
С использованием смесителя-диспергатора нашей конструкции, прошедшего успешные опытно-промышленные испытания в НИИ переработки и сертификации продовольственного сырья КемТИПП, разработано аппаратурное оформление стадии смешивания посолочных композиций для мясных полуфабрикатов (ООО «Протеин Продукт Кемерово»), а также посолочных смесей в производстве рыбных продуктов (ООО «Астронотус», г. Кемерово). Чертежи смесителя-диспергатора и необходимая техдокументация переданы заказчику для внедрения.
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре «Процессы и аппараты пищевых производств» ГОУ ВПО КемТИПП в лекционных курсах, дипломном и курсовом проектировании при подготовке бакалавров и магистров.
Автор защищает. Математическое описание процесса смешивания в центробежном смесителе периодического действия и результаты экспериментальных исследований влияния различных параметров на процессы смешивания и диспергирования, протекающие в нем, при получении смесей заданного качества; новую конструкцию центробежного смесителя-диспергатора периодического действия и методику его проектирования и расчета.
Проблемы математического моделирования процесса смесеприготовления
Математическая модель любого процесса создается исходя из его целевой направленности и задач исследования, с учетом требуемой точности решения и достоверности полученных исходных данных [53]. Построение модели является самой ответственной частью математического моделирования, требующая понимания самой сущности описываемых явлений. Очевидно, что дальнейший прогресс в области теоретического исследования и аппаратурного оформления процесса смешивания невозможен без его адекватного описания и построения математической модели, учитывающей всю совокупность явлений.
Вопросы моделирования процесса смешивания сыпучих материалов рассмотрены в ряде работ и монографий [11, 12, 13, 14, 16, 18, 20, 21, 37, 40, 41, 42, 43, 52, 53]. Значимый вклад в изучение этого вопроса внесли отечественные и зарубежные исследователи: Кафаров ВВ., Макаров Ю.И., Александровский А.А., Ахмадиев Ф.Г., Зайцев А.И., Блиничев В.Н., Чувпило А.В., Непомнящий Е.А., Иванец В.Н., Гудмен М, Севидж С, Gibilaro R.G. и другие. На основе всестороннего анализа монографий, диссертаций и научных статей проф. Ахмадиев Ф.Г. и проф. Александровский А.А. [14] выделяют основные подходы, которые применяются при моделировании процесса смешивания. К ним относятся: а) эмпирические методы; б) методы, основанные на анализе структуры потоков с помощью функции распределения времени пребывания (ФРВП) частиц внутри аппарата (кибернетические методы); в) методы механики сплошных сред; г) энтропийно-информационный подход; д) вероятностно-статистический (стохастический) подход.
Ввиду недостаточного объема теоретических знаний о процессе смешивания, зачастую не удается аналитическими методами находить вид соотношений, описывающих взаимосвязь между параметрами смеси и влияющими на них факторами. Поэтому многие практические задачи аппаратурного оформления процесса смешивания решаются с помощью статистических мо делей, представляющих систему эмпирических зависимостей, полученных статистической обработкой экспериментальных данных работы действующего смесителя. Эмпирический метод до настоящего времени широко используется для изучения процесса смешивания. Подробный анализ его применения приведен в монографиях [52, 54]. Структура статистических моделей, как правило, имеющих вид регрессионных или критериальных уравнений, не раскрывает физическую сущность процесса и описывает работу только конкретного аппарата в исследованных диапазонах изменения конструктивных и режимных параметров, что затрудняет обобщение результатов, получаемых при их применении.
При кибернетическом моделировании [12, 53] процесс смешивания описывается как преобразование входных сигналов стационарным линейным объектом (смесителем) в определенный выходной сигнал. Основной задачей является установление однозначной функциональной связи между входными и выходными координатами при известных возмущающих факторах и определенных свойствах смесительной системы. При описании динамических свойств, аппарат рассматривается как некий стационарный линейный преобразователь с передаточной функцией W(S). Связь входных и выходных координат определяется выражением: гдеу({) - выходная координата; x(t) - входная координата; Ц...) - символ преобразования Лапласа.
При исследовании конкретного смесителя на поток, входящий в аппарат, накладывается возмущающий сигнал заданной формы, а на выходе из него отмечаются и исследуются реакции на это возмущение в виде функций распределения времени пребывания, т.е. строится кривая отклика. По экспериментальной ФРВП может быть определена передаточная функция смесителя непрерывного действия, которая является специальным способом записи дифференциального уравнения, описывающего основные закономерности процесса смешивания материала в аппарате. Математическое описание про цесса смешивания для конкретного аппарата состоит из типовых идеализированных структур гидродинамической обстановки, отражающих тот или иной вид движения и описываемых определенным уравнением. Подобрав комбинацию элементарных моделей, можно составить результирующую модель, достаточно точно отражающую внутреннюю структуру реальной системы.
Методы технической кибернетики широко используются при разработке моделей процесса смешивания. Они позволяют более плотно и объективно отразить физику процесса, т.к. определение структуры кибернетических моделей основано на изучении характера перераспределения частиц компонентов в аппарате и анализе действующих механизмов смешивания. Известные кибернетические модели позволяют достаточно хорошо учесть влияние процесса дозирования исходных компонентов на качество готовой смеси. Однако функция РВП не описывает эффекты микросмешивания и непосредственно кинетику процесса; также не решается задача определения мощности, затрачиваемой на смешивание.
Значительный вклад в теорию процесса смешивания, базирующегося на -кибернетическом подходе, внесли исследования, проведенные под руководством проф. Иванца В.Н. [41-46]. Предлагаемые методы основаны на том, что смесительный агрегат представляется в виде динамической системы, характеризующейся известной топологией, соответствующими структурной и параметрической типами организаций и подверженной определенным внешним воздействиям. При этом эффективность и качество работы агрегата определяются совместной работой блоков дозаторов и смесителя. В условиях непрерывно-переменного, дискретного и сложного дискретно — непрерывного дозирования смеситель выступает в роли квазигармонизатора выходных флуктуации, преобразуя негармонические дискретные сигналы в псевдогармонические изменения за счет низкочастотной фильтрации. Исследование данной динамической системы производится с использованием методов цифрового моделирования. В результате развития научных основ технологических процессов дозирования и смешивания выработан системный подход, увязывающий в единую цепочку эти процессы с точки зрения кибернетиче ских представлений о динамических системах.
При использовании методов механики сплошных сред для разработки математических моделей процесса смешивания гетерогенных систем, исследователи столкнулись со сложной проблемой решения систем уравнений механики многофазных сред, обусловленной турбулентным характером и трехмерностью движения фаз системы, необходимостью учета явлений столкновений, дробления и т.п. Особые сложности при использовании методов механики сплошных сред возникают при описании процесса смешивания в разреженных слоях [12, 14], наличие которых характерно для многих современных конструкций смесителей непрерывного действия.
Состояние смеси и ее однородность могут быть оценены при использовании энтропийно-информационного метода. В работах проф. Макарова Ю.И. [62, 65] приводятся практические рекомендации, полученные с помощью методов теории информации. Энтропия физической системы максимальна в случае равенства исходов т состояний этой физической системы. В этом случае максимальная энтропия Нтах:
Моделирование процесса периодического смешивания в центробежном конусном смесителе
Случайное перераспределение частиц исходных компонентов смеси между собой происходит непрерывно по всему рабочему объему смесителя и интенсивность процесса зависит от многих параметров: сил, действующих на перемешиваемые компоненты, скорости вращения рабочего органа смесителя, его конструктивных параметров, физико-механических свойств материала, соотношения смешиваемых компонентов и т.д. [54].
Рассмотрим процесс образования смеси из компонентов А и В - объединения групп частиц, представляющих наименьшее их число, из которых можно образовать смесь А + В =АВ. Так, например, при смешивании компонентов А и В в соотношении 1:100, для образования качественной смеси АВ необходимо, чтобы на одну частицу компонента А приходилось сто частиц компонента В. В этом случае А будет представлять собой объединение групп, состоящих из одной частицы, а В - из ста частиц. Такая схема образования смеси соответствует марковскому процессу гибели популяции (числа) объединений частиц А и В, и, соответственно, рождению популяции (числа) ассо-циата смеси АВ [58,68].
Обозначим через X(t) случайную величину, характеризующую количество ассоциатов смеси АВ в момент времени t в объеме смесителя, и построим математическую модель, описывающую поведение этой случайной величины при реализации процесса смешивания в центробежном смесителе периодического действия.
Для построения математической модели на рабочем органе смесителя выделим основные материалопотоки, в которых происходит перераспределение частиц смешиваемых компонентов с определенной интенсивностью под воздействием инерционных сил, возникающих при вращении ротора. В результате такого разбиения на рабочем органе смесителя образуются зоны, в которых изучается поведение случайной величины X(t).
Граф, показывающий структуру потоков, в которых происходит перераспределение частиц материала, имеет вид, показанный на рис. 2.5.
Построение математической модели проведем по аналогии с приведенной в параграфе 2.1, полагая, что смешивание представляет собой однородный марковский процесс, дискретный во времени и пространстве состояний.
Изучим поведение случайной величины X(tn) в с, зоне смесителя. Для этого обозначим через p](ttl) = p{X(tn) = x} вероятность того, что в момент времени t=tn (п=0,1,2,...) целочисленная случайная величина X(tf) примет значение x=l,2,3,...N,; где N, - максимальное число ассоциативов смеси АВ, образовавшихся на момент времени t=tn в зоне с1г
Предполагаем, что образование смеси в рассматриваемой зоне смесителя соответствует марковскому процессу рождения популяций при наличии иммиграции и эмиграции смешиваемых частиц. Зададим вектор вероятностей состояний в момент времени t=tn для всего смесителя: Очевидно, что в любой момент времени вектор вероятностей состояний системы полностью характеризует весь случайный процесс. Пусть в момент времени t=tu зафиксирован вектор Nk. Элементы вектора меняются с течением времени. Будем фиксировать вектор состояния системы через конечные промежутки времени At. Для этого выберем такое значение At, что вероятность того, что за это время произойдет изменение числа популяций более чем на единицу, равна o(At). Будем предполагать, что за этот промежуток времени обязательно произойдет иммиграция частиц смешиваемых компонентов в исследуемую зону смесителя. Из рис. 2.5 следует, что на изменение случайной величины X(t) в зоне с, влияют только эмиграция и иммиграция смешиваемых частиц из зон, переход из которых возможен согласно графу. Поэтому в момент времени tj,+At число ассоциативов АВ может быть равно х при следующих условиях: 1) оно было равно х-1 и за счет иммиграции частиц смешиваемых компонентов из одной из зон с0, С],..., с„ ..., сп.ь сп увеличилось на единицу; 2) оно было равно х и за счет иммиграции частиц смешиваемых компонентов из одной из зон со, С,..., с„ ..., с„.], сп не изменилось. Тогда в соответствии с постулатами марковского процесса рождения популяции и миграции их элементов зависимость между NK и NK+J можно записать в следующей матричной форме: где Л = (Х}1 ), а X - интенсивность изменения случайной величины X(t) в зоне С! за счет иммиграции частиц смешиваемых компонентов из зоны с Причем из характера процесса смешивания и работы смесителя следует, что А. = pj ц, , где р - это параметры предыдущей модели - вероятности перехода (выраженные через коэффициенты циркуляции материала на рабочем органе смесителя), а ц,0 - интенсивность, с которой увеличивается число ас социатов АВ при движении материала из зоны с„ где их число было равно нулю, в зону с,, т.е. это коэффициент, показывающий насколько хорошо тот или иной поток смешивает компоненты. Начальный вектор системы М0 имеет следующий вид: где NA + NB- число объединений групп частиц компонентов, представляющих наименьшее число частиц, из которых можно образовать смесь А + В =АВ. Для обобщения построенной модели, предположим, что частицы могут попасть в систему (смеситель) не только в начальный момент времени t=to, но и после каждого перехода. Тогда модель примет следующий вид: Параметр X,n=Xin(tn) = XA(tn) + XB(tn) характеризует подачу в смеситель после каждого перехода числа объединений частиц смешиваемых компонентов, из которых могут образоваться ассоциаты АВ. Сравнение между собой построенных математических моделей, выявляет их равенство при установившемся режиме работы смесителя. Данный факт позволяет сделать следующее заключение: построенная математическая модель оценивает эволюцию любой характеристики исследуемого процесса, однако для этого необходимо знать соответствующие интенсивности перехода из одного состояния в другое. Аналогично исследованиям, проведенным в предыдущем параграфе, проанализируем при помощи построенной математической модели изменение коэффициента неоднородности смеси в смесителе периодического действия, для чего найдем значения V„ в каждой выделенной зоне. Выделим на рабочем органе смесителя основные материалопотоки, в которых происходит смешивание исходных компонентов (рис.2.1).
Обоснование новой конструкции центробежного смесителя - диспергатора
Сыпучие компоненты дозаторами подаются в загрузочную воронку 3 и попадают на днище вращающегося конуса 7 ротора 5. Под действием центробежной силы частицы материала ускоренно движутся от центра к периферии, распределяясь равномерно по внутренней поверхности конуса, при этом толщина слоя на периферии уменьшается за счет увеличения поверхности распределения частиц. Траектория материалопотока относительно конуса 7 закручена в сторону, противоположную направлению вращения ротора. На конусе материалопоток разделяется на три части: первая проходит через перепускные окна 8, при этом диспергируясь; вторая движется по образующей конуса 7 и сбрасывается через верхнее его основание на поверхность эллиптического днища 17, где происходит наложение основного и опережающего потоков (т.е. происходит процесс усреднения компонентов); третья часть потока, отражаясь от внутренней поверхности направляющих лопастей, возвращается к основанию конуса. Последнее обеспечивается тем, что угол установки направляющих лопастей 9 меньше угла подъема траектории движения частиц по образующей конуса, в результате чего образуется контур обратной рециркуляции, и часть материала возвращается к основанию конуса. При этом заданная толщина слоя материалопотока определяется высотой перепускных окон 10, расположенных в нижней части направляющих лопастей. Материалопоток, толщина слоя которого превышает высоту перепускных окон 10, делится на три части: первая проходит через перепускные окна 10 направляющих лопастей и движется вместе с основным потоком по поверхности конуса 7; вторая - за счет того, что поверхность направляющих лопастей имеет профиль дуги круга, образуя контур обратной рециркуляции, возвращается к центру ротора 5; третья - через вырезы 11, расположенные в верхней части направляющих лопастей, сбрасывается на основной поток. В результате такого многократного разделения материального потока с последующим наложением его слоев значительно интенсифицируется процесс усреднения компонентов смеси, что положительно отражается на ее качестве. Разгрузочная лопасть 15 отогнутыми концами забрасывает материал навстречу основному потоку и способствует пересечению материалопотоков (т.е. процессу усреднения компонентов). После завершения процесса смесь выводится из аппарата разгрузочной лопастью, через патрубок 16.
Интенсификация процесса смешивания достигается тем, что по всей длине направляющих лопастей, вместо круглых отверстий, выполнены: в нижней части перепускные отверстия, а в верхней - вырезы, имеющие прямоугольную форму. Благодаря этому на поверхности ротора создается движение материалопотоков в тонких, разреженных слоях, с направленной организацией прямых и обратных рециклов с последующим их многократным пересечением, что обеспечивает усреднение компонентов смеси и, как следствие, положительно отражается на ее качестве.
Приборы для измерения скорости газовоздушного потока называются анемометрами. Промышленность выпускает разнообразные типы анемометров, в основном с механическим измерительным датчиком. В этих приборах под действием газовоздушного потока вращаются измерительные крыльчатки или роторы, которые могут иметь самый разнообразный вид. Зная значения скорости вращения крыльчатки можно определить скорость газовоздушного потока. К недостаткам крыльчатых анемометров относится наличие трущихся и движущихся частей, поэтому они хорошо работают только в чистых средах. В реальных, запыленных потоках, частицы могут попасть в подвижные узлы приборов и внести значительную погрешность в измерения.
Для более точного измерения скорости газовоздушного потока с диапазоном 0,01 м/с и более используют приборы, работающие на принципе термометрии - термоанемометры. Принцип действия термоанемометра основан на зависимости между скоростью потока и теплоотдачей проволочки, нагретой электрическим током. Основная часть прибора - измерительный мост, состоящий из чувствительного элемента в виде нити из никеля, вольфрама или платины длиной 3-12 мм и диаметром 0,005-0,15 мм, укрепленной на тонких электропроводных стержнях. Основное количество тепла, передаваемое нагретой проволочкой потоку газа, зависит от скорости движущейся среды, и взаимного расположения измерительного узла относительно направления движения. С увеличением температуры проволочки чувствительность прибора увеличивается. Благодаря малой инерционности, высокой чувствительности, точности и компактности термоанемометры широко применяются при изучении неустановившихся течений среды вблизи стенки, для определения направления скорости потока.
В настоящей работе для измерения скоростей движения газовоздушных потоков во внутреннем объеме аппарата использовался термоанемометр-термометр микропроцессорный марки ТТМ-2, рис. 3.6, основные характеристики прибора представлены в таблице 3.1.
Гидродинамическая структура воздушных потоков в аппарате
При работе центробежного смесителя - диспергатора с направляющими лопастями выявлено [17, 25, 36], что быстровращающиеся поверхности ротора (конуса и разгрузочной лопасти) создают воздушные вертикальные потоки, вовлекающие в движение частицы высокодисперсных компонентов. В результате образуется пылегазовый поток, что приводит к сепарации компонентов смеси по массе и дисперсности, а также к их витанию. Таким образом, возникает необходимость в определении характера и параметров формирующихся воздушных потоков в рабочей области смесителя, ограниченной поверхностями ротора и его корпусом. При движении конусного ротора, вследствие сил трения, во вращение вовлекается пограничный слой воздуха. Последний, под действием сил инерции, движется от центра ротора к его периферии.
В связи с этим, вращающийся ротор можно рассматривать как радиальный вентилятор, в котором частицы газа движутся по характерным спиралевидным траекториям, представленным на рис. 4.3. Скорость движения воздушного потока можно разложить на две составляющие: окружную - направленную по касательной к поверхности ротора в сторону его вращения, и радиальную - направленную от центра к периферии. Тонкослойное радиальное движение воздуха возникает непосредственно вблизи рабочих поверхностей смесителя, т.е. ротора, корпуса и крышки. Оставшееся воздушное пространство, Офаниченное рабочими поверхностями смесителя, не участвует в кольцевом движении, а вращается вместе с ротором, со скоростью, в несколько раз меньший. Составляющие скорости воздушного потока будут зависеть в большей степени от размеров ротора и частоты вращения, т.е. от его окружной скорости. Для определения значений радиальной составляющей скорости воздушного потока на диске и конусе поставлен эксперимент, в ходе проведения которого варьировалась окружная скорость вращения ротора. Результаты представлены в виде графика на рис. 4.4. Значения скорости воздушного потока фиксировались посредством показаний микропроцессорного термоанемометра-термометра ТТМ-2.
Полученные данные свидетельствуют о том, что значение радиальной скорости воздушного потока на диске будет большим, чем на конусе. При сопоставлении значений последних, с использованием метода наименьших квадратов, получено следующее выражение: VK и Уд - радиальные скорости воздуха на конусе и диске, м/с. Зная значение радиальной составляющей скорости воздушного потока в крайней точке конуса, можно определить производительность ротора по где VBP - радиальная скорость воздушного потока в крайней точке конуса, м/с; Dp - диаметр ротора (верхнего основания конуса), м. Ранее было выявлено, что значения окружной составляющей скорости воздушного потока зависят от гидродинамических условий [67] (величины критерия Рейнольдса), а также от геометрии аппарата (расстояния между поверхностью ротора и крышкой смесителя h). Для уточнения этих предположений поставлен эксперимент, результаты которого представлены в виде графика (рис. 4.5). Полученные результаты можно интерпретировать следующим образом. Воздушный поток, после схода с поверхности конуса, движется вверх, к крышке смесителя, вдоль внутренней стенки корпуса. При этом, в начальный момент своего пути, вращающийся восходящий поток занимает пространство, ограниченное поверхностями ротора и корпуса смесителя. Таким образом, на значение скорости рассматриваемого воздушного потока влияют окружная скорость вращения ротора и расстояние между ним и корпусом смесителя, т.е. соотношение их диаметров DK/DP. Для определения значений скорости воздушного потока в зависимости от вышеперечисленных факторов проведен эксперимент. В его ходе варьировалась скорость вращения ротора от 3 до 15 м/с и соотношение диаметров от 1.1 до 1.3. Результаты эксперимента представлены в виде графика (рис. 4.6) на котором отображено изменение среднего значения вертикальной составляющей скорости воздушного потока от окружной скорости вращения ротора при фиксированных значениях DK/DP и Dp/h=5=const.
