Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Теоретические основы процесса непрерывного смесеприготовления и его аппаратурного обеспечения (литературный обзор) 9
1.1 Основные аспекты в изучении процесса смешивания сыпучих материалов 9
1.2 Состояние и тенденции развития смесителей непрерывного действия центробежного типа для переработки сыпучих материалов 15
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 36
ГЛАВА 2. Моделирование динамики процесса смешивания в центробежном конусном смесителе 37
2.1 Расчет движения частицы сыпучего материала по поверхности ротора СНД 37
2.1.1 Уравнения движения частицы материалопотока 38
2.1.2 Алгорігтм расчета движения частицы по поверхности трехкаскадного конусного ротора . 43
2.2 Моделирование смесительного агрегата
на основе кибернетического подхода. 51
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 56
ГЛАВА 3. Аппаратурное и методическое обеспечение экспериментальных исследований . 57
3.1 Описание лабораторно-исследовательского стенда, 57
3.2 Дозировочное оборудование стенда 59
3.2.1 Спиральный дозатор 59
3.2 Л. Шнековын дозатор 61
3.2.3 Порционный дозатор 62
33 Обоснование новых конструкций СНД. 64
33.1 Устройство и принцип работы СНД с осевым вентилятором 64
33.2 Устройство и принцип работы СНД с направляющими лопастями 66
333 Устройство и принцип работы СНД с перфорированными конусами 68
3.4 Приборы для измерения скорости газовоздушного потока. 70
3.5 Методика определения концентрации
ферромагнитного трассера в смеси 72
3.6 Методика отбора проб из смеси 74
3.7 Материалы, используемые в экспериментальных исследованиях. 75
3.8 Методика определения функции распределения времени пребывания частиц в СНД центробежного типа. Нахождение передаточных функций 77
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 80
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований смесительного агрегата 81
4.1 Определение рациональных рабочих параметров СНД
с перфорированными конусами 81
4.1.1 Определение рабочих параметров среднего конуса. 83
4.1.2 Определение рабочих параметров внешнего конуса. 90
4.2 Определение величины обратной рециркуляции в зависимости от угла раскрытия внутренних плоскостей тангенциальных отверстий 96
43 Исследование динамических характеристик СНД центробежного типа. 97
43.1 Определение передаточной функции смесителя 98
43.2 Определение сглаживающей способности смесителя 101
433. Анализ частотно-временных характеристик смесительного агрегата центробежного типа, 104
4.4 Определение рационального расстояния между крышкой и ротором смесителя 109
4.5 Гидродинамики воздушных потоков в конусных смесителях НО
4.5.1 Исследование структуры воздушных потоков в рабочей области смесителя с конусным ротором 111
4.5.2 Исследование структуры воздушных потоков в рабочей области смесителя с конусным перфорированным ротором 115
4.6 Методика расчета СНД центробежного типа. 117
4.7 Аппаратурное оформление производства сухих лгучных полуфабрикатов для приготовления блинов 121
4.8 Разработка аппаратурного оформления процесса смешивания в производстве сдобного печенья 125
Выводы по главе 129
Основные результаты работы и выводы 130
Литература
- Состояние и тенденции развития смесителей непрерывного действия центробежного типа для переработки сыпучих материалов
- Алгорігтм расчета движения частицы по поверхности трехкаскадного конусного ротора
- Устройство и принцип работы СНД с направляющими лопастями
- Определение величины обратной рециркуляции в зависимости от угла раскрытия внутренних плоскостей тангенциальных отверстий
Введение к работе
В настоящее время предприятия пищевой и перерабатывающей промышленности ориентированы на создание комбинированных продуктов питания її полуфабрикатов, обогащенных витаминами, биологически активными и минеральными веществами, на переход к малоотходным технолопіям производства н комплексному использованию растительного и животного сырья. Технолопш производства таких продуктов питания очень часто предусматривает осуществление процесса получения смеси с высоким соотношением смешиваемых компонентов (до 1:500), что в свою очередь является непростой инженерной задачей. Таким образом, возникает необходимость в разработке не только технологий получения новых продуктов, но и соответствующего оборудования для их производства
Наиболее перспективным является способ смешивания сухих компонентов в механических смесителях. Смесительные аппараты, используемые в настоящее время на большинстве пищевых предприятий, морально н физически устарели, металло- и энергоёмки и во мнопіх случаях не способны обеспечить надлежащее качество смеси, особенно плохо н связно сыпучих компонентов. Поэтому для интенсификации процесса смешивания необходимо использовать такие пути и подходы, которые позволяли бы увеличить турбулизацшо н циркуляцию потоков, при одновременном снижении энергопотребления її металлоемкости, для чего целесообразно применять непрерывнодействующее смесеприготовіггельное оборудование. Среди данного типа оборудования наиболее эффективно проявили себя смесители непрерывного действия (СНД) центробежного типа с трехкаскадным конусным рабочим органом (ротором). Конструктивное исполнение ротора обеспечивает смешивание в тонких, разреженных, пересекающихся слоях с использованием прямых и обратных рециклов, что в свою очередь дает возможность получать смеси с большой разницей концеїгграций (до 1:500). Последнее является одним из основных преимуществ данного типа оборудования и представляет большой практический интерес для пищевой и ряда других отраслей народного хозяйства. Таким образом, разработка высокоэффективных и малогабаритных центробежных СНД для смешивания дисперсных комбинированных продуктов является актуальной задачей.
Цель работы. Разработка новых конструкций высокоэффективных непрерывнодействующнх смесителей центробежного типа, обладающих регулируемой инерционностью, для получения сухих многокомпонентных композиций, с соотношением смешиваемых компонентов до 1:500, на основе анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований процесса смешивания в них.
Задачи исследовании. В соответствии с поставленной целью в настоящей работе решались следующие основные задачи:
• моделирование процесса смешивания в локальном объеме аппарата с использованием методов механики материальных точек;
• моделирование процесса смешивания в непрерывнодействующих агрегатах цеіггробежного типа с различной топологией материальных потоков на основании кибернетического подхода;
• реализация математических моделей СНД с помощью методов цифрового машинного моделирования и проверка их на адекватность реально.\гу процессу;
• разработка и экспериментальное исследование новой конструкции СНД центробежного типа с направленной организацией движения материальных и воздушных потоков, обеспечивающей получение качественных смесей при соотношении смешиваемых компонентов до 1:500.
Нпучппп иовпзнл. Создана математическая модель, описывающая динамику движения частицы материального потока по поверхности трехкаскадного конусного ротора, позволяющая определить его рациональные рабочие параметры. Предложены математическая модель и алгоритм расчета на ЭВМ рациональных конструктивных и динамических параметров СНД центробежного типа с учетом входных воздействий, оказываемых со стороны дозирующих устройств. Результаты псследовшиїй влияния различных рабочих параметров СНД с перфорированным ротором на процесс смешивания в нем.
Практическая зппчпмость и реализация. Результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса смешивания дисперсных материалов позволили разработать три новых конструкции СНД центробежного типа с различной топологией движения материальных и воздушных потоков, техническая новизна которых защищена двумя патентами РФ и положительным решением.
При непосредственном участии автора разработано аппаратурное оформление стадий непрерывного смешивания в следующих технологических схемах: 1) получение сухих мучных смесей для приготовления блинов; 2) прошводства сдобного печенья песочно-отсадного типа
Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре «Процессы и аппараты пищевых производств» КемТИППа лекционных курсах, дипломном и курсовом проектігрованин при подготовке бакалавров, инженеров и магистров.
Автор защищает: математическое описание процесса смешивания в локальном объеме аппарата, позволяющее в диалоговом режиме с ЭВМ подобрать рациональные геометрические и режимные параметры ротора с учетом физико-механических свойств смешиваемых компонеіггов; математическую модель непрерывнодействующего смесительного агрегата, позволяющую посредством ЭВМ подобрать рациональные параметры работы дозирующих устройств и СНД; новые конструкции центробежных СНД и результаты экспериментальных исследований процесса смешивания дисперсных материалов в одном из них; методику проектирования и расчета СНД центробежного типа с перфорированным ротором.
Состояние и тенденции развития смесителей непрерывного действия центробежного типа для переработки сыпучих материалов
При приготовлении смесей сыпучих материалов необходимо обеспечіггь равномерное распределение различных добавок по всему объему композиции. При реализации данного процесса возникают большие сложности, особенно в случае необходимости получения смеси с высоким соотношением смешиваемых компонентов (1:200; 1:500 и выше) с различными физико-механическими свойствами [103, 104]. Для решения этой задачи, в настоящее время разработаны довольно жесткие требования, предъявляемые к смесеприготовигелыюму оборудованию: Движение материальных потоков должно осуществляться в тонких, разреженных, пересекающихся слоях. Конструкция аппарата должна обеспечивать высокую сглаживающую способность флуктуации входных материальных потоков. Отсутствие застойных зон внутри аппарата
Кроме выше перечисленных требований, наиболее важными факторами, которые необходимо учитывать при разработке новых конструкций СНД являются: максимальное снижение удельных энергетических затрат, обеспечение простоты конструкции, максимальное снижение массогабаритных показателей смесіггеля.
Наибольшее распространение в промышленности получили механические смесители, в которых смешивание компонентов осуществляется в результате механического воздействия различных по конструкции и конфигурации рабочих органов. Механическое воздействие на сыпучую среду приводит к относительному движению слоев, псевдоожижению материалов, диспергированию отдельных частиц и конгломератов. В механических смесіггелях наиболее распространенным является вращательное движение рабочих органов (мешалок, шнеков, лопастей, дисков, конусов и т.д.). К данному типу оборудования относятся и центробежные СНД, которые характеризуются высокой производительностью при малых металло- и энергозатратах и габаритных размерах, что выгодно отличает их от аппаратов других конструкций [44, 77, 103]. В центробежных СНД смешивание сыпучих материалов происходит, как правило, в тонких разреженных слоях, движущихся по поверхности вращающегося ротора, при пересечении потоков, имеющих различные направления, их соударении с препятствиями и т.д. При движении потока материала, которое начинается от центра аппарата к периферии, на частицы действуют различные силы: центробежные, внешнего трения, кориолпсовы, силы взаимодействия между частицами, тяжести, а также аэродинамические [35, 37, 75]. Движение потока материала с большой скоростью способствует разрушению конгломератов частиц при соударении их о препятствия и стенки аппарата Можно отметить тот факт, что в центробежных СНД по этой же причине, а также ввиду интенсивного внутреннего и внешнего трения, обычно изменяется фракционный состав смешиваемых материалов, особенно если они непрочные.
Роторы цеіггробежньїх СНД, как правило, представляют собой простые тела вращения (диски, цилиндры, полые усеченные конуса), реже с более сложным профилем (параболоиды, торовые и сферические оболочки). Рабочими органами центробежных СНД могут быть также лопасти, диспергирующие ножи и т.п.
Типичным представителем центробежных СНД является смесігтель Ластовцева А.М. [1], принципиальная схема которого приведена на рис. 1.1. Принцип его работы следующий. Компоненты смеси через загрузочные устройства 7 и 8 попадают на тарелки 3 и 4 и, благодаря центробежным силам инерции, движутся по их поверхностям от центра к периферии. Далее они сбрасываются с верхнего края тарелки в виде тонких разреженных слоев, частично перемешиваясь при этом, и осаждаются на поверхности направляющего конуса 9. При смешивании более двух компонентов, число тарелок 3 и 4 соответственно увеличивается. По внутренней поверхности конуса 9 смешиваемые материалы направляются внутрь вращающегося конуса 5. Далее, под влиянием центробежных сил инерции, частицы сыпучих материалов передвигаются от центра конуса к периферии, частично при этом перемешиваясь, и в виде тонкого разреженного слоя сбрасываются на неподвижный конус 9. Этот процесс повторяется несколько раз. Для облегчения сползания сыпучей смеси по поверхности верхнего из неподвижных конусов 9 на нем может быть установлен скребок 6. Готовая смесь выгружается из смесителя через разгрузочный патрубок 11, с помощью лопастей 10. Недостатком СНД данной конструкции является малая сглаживающая способность вследствие отсутствия внутренней рециркуляции и небольшого объема смеси, находящегося внутри аппарата
Алгорігтм расчета движения частицы по поверхности трехкаскадного конусного ротора
В момент перехода на частицу будут действовать сила тяжести, лобового сопротивления и окружная составляющая воздушного потока. Поскольку в момент перехода радиальная составляющая скорости воздушного потока направлена практически горизонтально (параллельно основанию ротора), то ее воздействие на движение частицы будет минимальным, в связи с чем, ею можно пренебречь. # рл + їво m v- F "FB.O У (2.36) z =-g + i-m
Начальным условием движения материальной точки является скорость схода частицы с внутреннего конуса, а результатом расчета момент ее попадания на поверхность среднего.
Четвертый, пятый и шестой этапы, описывающие движение частицы по поверхности конусов и в момент перехода, выполняются аналогично второму и третьему.
Допущения
Одиночную частицу сыпучего материала будем рассматривать как материальную точку массой т. Направим ось OZ по вертикали вверх, оси ОХ и OY при этом располагаются в горизонтальной плоскости. Предположим, что в момент падения частицы на основашіе конуса она имеет начальную скорость v0 и располагается в плоскости OYZ. Пусть в момент времени t движущаяся точка имеет координаты х, у, z. В начальный момент времени t=0, х=Хо, у=уо, z=0, vx=x=:vxo, vy=y=v o, vz=z=0. Считаем ускорение свободігого падешш g, частоту вращения ротора п, массу частицы m - постоянными.
В момент движения частицы по диску, в виду малого значения скорости, подъемной силой пренебрегаем, а коэффициент лобового сопротивления принимаем равным 0,44 [41, 46, 47, 57, 111]. Для определения значений скоростей окружной и радиальной составляющих воздушного потока по поверхностям ротора воспользуемся эмпирическими уравнениями.
В случае если частица перелетает через конус в момент перехода или ей не хватает энергии для движения, то дальнейший расчет приостанавливаем и меняем исходные параметры (частоту вращения или геометрические параметры ротора).
Результаты вычислений
Системы дифференциальных уравнений второго порядка, как правило, не имеют аналитического решения, и на практике используются численные методы их решения. Системы дифференциальных уравнений с заданными начальными условиями решались в среде математической системы Mathcad методом Рунге — Кутта четвертого порядка с фиксированным шагом интегрирования и заданной точностью. Описание данного метода приведено в работах [65,89].
Кріггерием окончания расчета служил момеїгг схода частицы с поверхности ротора. Для данного момента времени определялась координата схода частицы, значение и направление вектора скорости. Решение данной задачи подробно рассмотрено в приложении 1, для случая движения частицы пшена. На рис. 2.2 и 2.3 изображены траектории движения частицы пшена по поверхности ротора, а в таблице 2.1 сведены выходные режимные параметры при следующих рабочих параметрах ротора: частота вращения 530 об/мин; высота внутреннего конуса Ні=0.03 м, среднего Н2=0,06, внешнего Нз О.СШ; угол конусности внутреннего коїгуса аг=55, среднего а2=45, внешнего аз=35; малый радігус внутреннего конуса Ri=0,03, среднего R2=0,055 и внешнего 1 3=0,105.
Таким образом, в результате моделирования поведения смешиваемых компонентов, получены траектории движения частиц материала по поверхности ротора, а также определены наиболее рациональные геометрические и режимные параметры ротора, (углы конусности, радиусы оснований, высоты конусов, частота вращения) с учетом физико-механических Из рисунков 2.2 и 2.3 следует, что наибольшая длина траектории движения соответствует внутреннему конусу, а наименьшая среднему и внешнему. Таким образом, для увеличения пути частицы, а значит и времени пребывания в активной зоне, в конструкции смесителя необходимо предусмотреть наличие направленного движения опережающих потоков и обратную рециркуляцию на среднем и внешнем конусах.
Устройство и принцип работы СНД с направляющими лопастями
На основе вышеописанной конструкции смесителя с целью большего сглаживания флуктуации питающих потоков, разработана оригинальная конструкция конусного центробежного СНД. На рис. 3.6 изображены общий вид центробежного СНД и его ротор в аксонометрическом исполнении.
Смешивание в данном аппарате осуществляется, как и в предыдущем случае, за счет последовательного прохождения материала по внутренним поверхностям конусов. Технической новизной является наличие на внутренних поверхностях среднего 9 и внешнего 10 конусов спиралевидно размещенных направляющих лопастей 12, имеющих ряд отверстий 13 и профиль лупі круга. Направляющие лопасти способствуют образованию контура обратной рециркуляции материала. Это обеспечивается за счет того, что угол установки направляющих лопастей несколько меньше угла подъема частиц материалопотока по образующей конуса. Наличие направляющих лопастей способствует образованию направленной организации движения воздушных потоков в направлении снизу вверх. Так как окружная скорость вращения конусов увеличивается от внутреннего к внешнелгу, то производительность направляющих лопастей по воздуху у внешнего конуса будет больше, чем у среднего. Таким образом, величина давлений в пространстве между коїгусами уменьшается от центра ротора к его периферии. Разность этих давлений характеризуется некоторой движущей силой, которая сообщает частице материала опережающего потока дополнительную скорость. За счет изменения угла установки направляющих лопастей можно варьировать значения давлений и, как следствие, величины рециркулирующих потоков. Наличие ряда отверстий на поверхности лопастей позволяет образовать движение воздушных потоков в направлении сверху вниз по спиралевидной траектории, противоположной направлению материалопотока. В результате этого обеспечивается уменьшение объема застойных зон в различных частях ротора и сообщается дополнительная турбулизацня материалопотоку, что способствует лучшему смешиванию. Таким образом, рассмотренная конструкция предусматривает движение матерналопотоков в тонких, разреженных, пересекающихся слоях с направленной организацией прямых и обратных рециклов, что в свою очередь положительно отражается на качестве смеси.
Техническая новизна рассматриваемого СНД защищена патентом РФ № 2246343, [20].
На основе двух выше описанных центробежных СНД разработана еще одна оригинальная конструкция смесителя [21], где интенсификация процесса смешивания, осуществляется за счет направленной организации движения воздушных потоков во внутреннем объеме ротора. На рис. 3.7 изображены общин вид смесителя и его отражатель в аксонометрическом исполнении.
Смешивание в данном аппарате осуществляется, за счет последовательного прохождения материала по поверхности трех конусов. Новизна данного аппарата заключается наличием двух отличіггельньїх конструкционных признаков. Первый отличительный признак заключается в том, что на поверхности среднего 8 и внешнего 9 конусов выполнены тангенциальные отверстия 11, полученные путем развертки двух плоскостей: внутренней 12 - направленной противоположно вращению ротора, и наружной 13 - направленной в стороігу вращения ротора. Поскольку траектория материалопотока относительно диска ротора закручена в сторону, противоположную направлению вращения, то его движение осуществляется по внутренней плоскости тангенциального отверстия, расположенного под углом к поверхности конуса, в результате чего происходит отрыв материала от рабочей поверхности конуса, что обеспечивает осуществление обратной рециркуляции.
Определение величины обратной рециркуляции в зависимости от угла раскрытия внутренних плоскостей тангенциальных отверстий
Из предыдущего раздела данной главы следует, что на качество смеси существенное воздействие оказывают значения углов раскрытия внутренних плоскостей тангенциальных отверстий, которые в свою очередь влияют на коэффициент обратной рециркуляции материала. При этом полученные рациональные значения углов раскрытия принимают неодинаковые значения для смесей различной степени сыпучести.
Таким образом, с целью определения величины (коэффициента) обратной рециркуляции в зависимости от угла раскрытия внутренних плоскостей тангенциальных отверстий нами проведен эксперимент, в ходе которого выдерживались выше полученные, рациональные режимные и геометрические параметры ротора. Компоненты, используемые при исследованиях, имели различную степень сыпучести. Зксперимеїгг проводился следующим образом. Смеситель выводился в стационарный (рабочий) режим, после чего одновременно прекращалась подача материала и закрывался разгрузочный патрубок, далее смесь выгружали ш смесителя и взвешивали. Данную процедуру проводили на роторе с тангенциальными отверстиями и без них, сравнивая полученные массы, определяли значения коэффициента обратной рециркуляции по следующей формуле [44,103]: КР = М"Мг-х100,% (4.13) м0 где М0 и МБО — масса материала в смесителе при налігше тангенциальных отверстий на конусах и без них.
Результаты эксперимента представлены в віще таблицы 4.8. По результатам данного зкеперимеїгга можно сделать следующие выводы.
1. Обратная рециркуляция для хорошо сыпучих материалов должна принимать большее значение чем для связно и плохо сыпучих. Последнее объясняется тем, что степень взаимопроникновения у хорошо сыпучих материалов больше. 2. Коэффициент обратной рециркуляции для данной конструкции аппарата не зависит от физико-механических свойств смешиваемых компонентов и частоты вращения ротора.
По результатам выше описанных экспериментов, проводившихся на оригинальной конструкции СНД, можно сделать вывод, что существует три режима работы аппарата, при которых осуществляется процесс смешивания хорошо, связно и плохо сыпучих компонентов. При этом каждому режиму работы соответствуют свои рабочие параметры аппарата. В свою очередь, последние влияют на такие характеристики как накопительная способность смесителя и время пребывания материала в активной зоне, а значит и на его сглаживающую способность в целом. Таким образом, целью данного раздела является оценка сглаживающей способности аппарата для трех режимов его работы.
Одним из способов оценки сглаживающей способности смесителя является функция распределения времени пребывания (ФРВП) частиц материала в нем, которая определенным образом отражает структуру матерналышх потоков в аппарате и его накопительную способность. Данный способ исследования работы смесителя входит в рамки кибернетического подхода, в котором процесс смешивания описывается как преобразование входных сигналов стационарным объектом (смесителем) в определенный выходной сигнал, [31,71,81,92,93, 103].
Определим передаточную функцию (ПФ) для первого режима работы смесіггеля, при котором осуществляется смешивание хорошо сыпучих материалов. По отклику системы на импульсное возмущение получены кривые вымывания в безразмерном и интегральном видах (рис. 4.8, 4.9), с аппроксимацией апериодическим звеном второго порядка с чистым запаздыванием, по которым графоаналитическим методом определены параметры передаточной функции объекта: Ті=Тз+Т4=12 с, Т3=9,05 с, T4=Tj-Т3=12-9,05=2,95 с, Т22=Т3-Т4=9,05-2,95=26,69 с2; коэффициент передачи К=1. Правильность нахождения Ті и Т2 определялось по коэффициенту демпфирования, значение которого должно быть равно 1,1 — 1,6:
