Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время все большей популярностью пользуются продукты, обогащенные различными минеральными и биологическими добавками, витаминами и другими компонентами. Как правило, к ним относятся многокомпонентные смеси, находящиеся в порошкообразном или мелкозернистом состоянии. Их качество во многом зависит от условий проведения процесса смешивания. Поэтому одной из главных проблем является равномерное распределение вносимых в малых количествах различных добавок, во всем объеме смеси. В настоящее время на предприятиях для достижения удовлетворительного качества конечного продукта в составе смесительного агрегата используют параллельное соединение двух и более аппаратов различного типа, что значительно увеличивает его себестоимость. В процессе смесепри- готовления рационально использовать смесители непрерывного действия (СНД) центробежного типа, позволяющие получить качественные смеси с данным соотношением компонентов.
На сегодняшней день в различных учреждениях разработано множество конструкций СНД, однако не все аппараты обеспечивают удовлетворительное качество смеси - вследствие малой сглаживающей способности; кроме того, для материалов, имеющих большую разницу в удельном весе, возможно явление сегрегации. Поэтому разработка эффективных смесительных агрегатов центробежного типа, обладающих большей сглаживающей способностью за счет организации направленного движения потоков материала, для получения витаминизированной муки и других комбинированных продуктов с большой разницей содержания смешиваемых компонентов является актуальной научной задачей, представляющей большой практический интерес для пищевой промышленности и ряда других отраслей.
Научной базой исследований в данной области явились работы Ю.И. Макарова, Ф.Г. Ахмадиева, В.Н. Иванца, Г.Е. Иванец, Б.А. Федосенкова, И.А. Ба- кина и ряда других ученых.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с научными направлениями ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности», на проведение исследований выделены гранты: ФГБОУ ВПО «Кемеровский институт пищевой промышленности» «Разработка и исследование смесительного агрегата центробежного типа производительностью 400 кг/час для производства витаминизированной и йодированной муки» (2012 г., грантодержатель - А.А. Андрюшков); Грант Губернатора Кемеровской области для поддержки молодых ученых - кандидатов наук в номинации наук, относящихся к аграрно-промышленному комплексу (2007 г., грантодержатель - Д.М. Бородулин).
Цель работы. Интенсификация процесса смешивания в новых конструкциях центробежных смесителей для получения сухих комбинированных продуктов с заданным соотношением смешиваемых компонентов на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Задачи исследований. В соответствии с поставленной целью в настоящей работе решались следующие основные задачи:
теоретическое и экспериментальное обоснование новых конструкций СНД центробежного типа для обогащения различных сыпучих композиций витаминами, минералами и микроэлементами;
математическое описание процесса смешивания в центробежных смесительных агрегатах с применением корреляционного анализа и кибернетического подхода и элементов теории автоматического управления;
исследование новых конструкций СНД центробежного типа с целью нахождения их рациональных конструктивных и технологических параметров работы, обеспечивающих стабильность качества готовой продукции;
проведение частотно-временного анализа смесительного агрегата центробежного типа. Проверка на адекватность математических моделей;
разработать инженерную методику расчета СНД центробежного типа;
проведение опытно-промышленных испытаний новых конструкции СНД центробежного типа в составе технологических схем получения витаминизированной муки и сухих строительных смесей.
Научная новизна. Созданы математические модели непрерывно действующих смесительных агрегатов центробежного типа, дающие возможность проанализировать получение смесей требуемого качества учитывая их инерционные свойства. Проведен корреляционный анализ влияния топологии материальных потоков на однородность смеси в СНД центробежного типа; на основе программы «MathCAD» предложен алгоритм расчета численных значений сглаживающей способности и передаточных функций динамических и конструктивных параметров смесителя, а также воздействие входных потоков, влияющих со стороны дозирующих устройств. Получены рациональные конструкционные и технологические параметры СНД, обеспечивающие получение смесей хорошего качества. Рассчитаны уравнения регрессии, адекватно описывающие экспериментальные данные.
Практическая значимость и реализация. В результате теоретического и экспериментального исследования процесса смешивания и дозирования материалов разработаны три новые конструкции смесителей непрерывного действия центробежного типа с организацией направленного движения в них материальных потоков, техническая новизна СНД защищена двумя патентами РФ. Разработано аппаратурное оформление технологической линии непрерывного смешивания, включающей в свой состав центробежный СНД новой конструкции. Проведены успешные опытно-промышленные испытания: на ООО «Мастер- продукт» (г. Новокузнецк) в технологии производства витаминизированной муки для хлебобулочных изделий; ЗАО «Профикс-Кузбасс» (г. Кемерово) в технологии производства сухой строительной штукатурной смеси М100. Результаты диссертационной работы используется в учебном процессе на кафедре процессов и аппаратов пищевых производств ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» при подготовке бакалавров и магистров по направлению 150400 «Технологические машины и оборудование».
На защиту выносятся: математическое описание процесса непрерывного смешивания в СНД центробежного типа при различной организации движения материальных потоков в них, на основе корреляционного анализа; математическая модель непрерывно действующего смесительного агрегата, разработанная с использованием кибернетического подхода и элементов теории автоматического управления, позволяющая выбрать целесообразные параметры работы смесителей центробежного типа и дозирующих устройств; результаты экспериментальных исследований процесса смешивания дисперсных материалов в новых конструкциях СНД центробежного типа и методики их инженерного расчёта и смесительного агрегата в целом.
Объектом исследования являлись новые конструкции высокоэффективных СНД центробежного типа для обогащения муки витаминами, минералами и микроэлементами.
Предметом исследования являлось установление закономерностей, описывающих работу СНД при рациональных режимных и конструктивных параметрах, влияющих на качество получаемых смесей.
Апробация работы. Основные положения, изложенные в диссертационной работе, были представлены и обсуждены: на всероссийских и международных научных конференциях (2009-2013 гг.) (Новый этап развития пищевых производств: инновации, технологии, оборудование. Материалы Всероссийской научно-практической конференции. Екатеринбург, 2009; Инструментальные методы для исследования живых систем в пищевых производствах. Материалы Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи. Кемерово, 2009; Пищевые продукты и здоровье человека. II Всероссийская конференция аспирантов и студентов. Кемерово, 2009; V Международная студенческая электронная научная конференция «Студенческий научный форум». Москва, 2013).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, из которых 5 в журналах, рекомендованных ВАКом, получено два патента.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка литературы и приложений; включает 56 рисунков, 28 таблицы. Основной текст изложен на 148 страницах машинописного текста, приложения - на 60 страницах. Список литературы включает 103 наименования.
