Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Теоретические основы смесеобразования и его аппаратурного оформления 9
1.1 Процесс дозирования, его назначение. Погрешность дозирования 9
1.2 Значение дозирования в процессе смесеприготовления 12
1.3 Влияние неравномерности подачи исходных компонентов в смеситель на процесс смешения 13
1.4 Обзор основных конструкций питателей и дозаторов 16
1.5 Состояние и перспективы развития смесительного оборудования для переработки сыпучих материалов 35
1.6 Обзор конструкций вибрационных смесителей 36
1.7 Проблемы математического моделирования процесса смесеприготовления 41
Выводы по главе 46
ГЛАВА 2. Разработка комплекса математических моделей процесса смесеприготовления 47
2.1 Моделирование процесса смешения корреляционным методом 47
2.2 Моделирование смесительного агрегата на основе кибернетического подхода 54
2.2.1 Формирование моделей сигналов мгновенной производительности сеточного дозатора 58
2.2.2 Формирование моделей сигналов порционного дозатора 60
Выводы по главе 69
ГЛАВА 3. Аппаратурно-методическое обеспечение экспериментов 70
3.1 Описание лабораторно-исследовательского стенда 70
3.1.1 Дозировочное оборудование стенда 73
3.1.2 Описание непрерывно действующего смесителя Вибрационного типа 78
3.2 Физико-механические свойства сыпучих материалов 80
3.3 Критерии оценки качества дозирования и смешения 81
3.4 Методы анализа проб 82
3.5 Методика определения коэффициента неоднородности смеси 84
3.6 Методики проведения экспериментальных исследований элементов смесительного агрегата 86
3.6.1 Методика проведения эксперимента по определению погрешности дозирования 86
3.6.2 Методика проведения исследования смесительного аппарата 87
3.7 Методика определения функции распределения времени пребывания частиц в смесителе. Определение передаточных функций вибрационного СНД 88
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 92
ГЛАВА 4. Результаты экспериментального исследования смесительного агрегата вибрационного типа ... 93
4.1 Результаты экспериментальных исследований дозирующих устройств 93
4.1.1 Влияние режимных и конструктивных параметров сеточного дозатора на погрешность дозирования и его производительность 93
4.1.2 Описание сигнала сеточного дозатора 103
4.1.3 Влияние режимных и конструктивных параметров порционного дозатора на погрешность дозирования и его производительность 104
4.1.4 Описание сигнала порционного дозатора 109
4.2 Результаты исследований работы вибрационного СНД 110
4.3 Определение передаточной функции и сглаживающей
способности СНД вибрационного типа с помощью
кибернетического метода моделирования 115
4.4 Анализ частотно-временных характеристик смесительного агрегата вибрационного типа 121
4.5 Методика расчета вибрационного СНД 125
4.6 Разработка непрерывной схемы смешивания компонентов в производстве комбинированных
порошкообразных продуктов питания 129
Выводы по главе 132
Основные результаты работы и выводы 134
Литература
- Значение дозирования в процессе смесеприготовления
- Моделирование смесительного агрегата на основе кибернетического подхода
- Описание непрерывно действующего смесителя Вибрационного типа
- Влияние режимных и конструктивных параметров сеточного дозатора на погрешность дозирования и его производительность
Введение к работе
Реализация концепции государственной политики в области здорового питания населения России предусматривает увеличение производства комбинированных продуктов, обогащенных биологически активными добавками, витаминами, микро- и макроэлементами. При этом главное внимание обращается на их качество и соответствие предъявляемым медико-биологическим требованиям.
Это особенно важно для Кузбасса, где суровые природные условия осложняются неблагоприятной экологической обстановкой.
При производстве сухих комбинированных смесей приходится работать с дисперсными материалами. Основной проблемой при этом является равномерное распределение различных добавок (витамины, микро-, макроэлементы и др.), вносимых в небольших количествах, по всему объему смеси. Наши ученые (Макаров Ю.И., Александровский А.А., Кафаров В.В., Иванец В.Н. и д.р.) опубликовали ряд исследований, связанных с разработкой теоретических и практических аспектов процессов смешения и дозирования в агрегатах непрерывного действия. В тоже время проблема разработки теории и инженерных расчетов непрерывно-действующих смесительных агрегатов, включающих в себя смеситель непрерывного действия (СНД) и дозирующие устройства различного типа, раскрыта недостаточно полно. В частности, недостаточно изучено влияние входящих сигналов, формируемых дозаторами, на динамические характеристики СНД и качество готовой смеси. Поэтому разработка смесительных агрегатов для переработки дисперсных материалов, создание теории и методики их расчета является актуальной научной задачей, представляющей большой практический интерес для пищевой и ряда других отраслей промышленности. Диссертационная работа выполнена во исполнение гранта Министерства Образования РФ Т02-06.7-1238 «Научно-практические основы разработки смесителей с регулируемой инерционностью для получения сухих и увлажненных композиционных материалов».
Разработка непрерывнодействующего агрегата (новые конструкции дозирующих устройств, смеситель с регулируемой инерционностью вибрационного типа) для получения плохосыпучих комбинированных смесей на основании результатов теоретических и экспериментальных исследований процессов дозирования и смешивания.
В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие основные задачи:
- формирование и математическое описание функционально-структурной схемы смесительного агрегата и разработка метода ее исследования на базе кибернетического подхода;
- нахождение математического описания входных сигналов со стороны исследуемых дозирующих устройств и определение рациональных параметров их работы;
- разработка математической модели СНД вибрационного типа с различной топологией материальных потоков на основе корреляционного анализа;
- нахождение алгоритма расчета рациональных динамических и конструктивных параметров смесительного агрегата с учетом входных воздействий, оказываемых со стороны дозирующих устройств;
- проверка разработанной модели агрегата на адекватность реальному процессу;
- разработка аппаратурного оформления стадий смешивания дисперсных композиций для получения комбинированных смесей.
На основе кибернетического подхода разработана и исследована математическая модель смесительного агрегата вибрационного типа, позволяющая на основе ее анализа назначить рациональные режимы совместной работы дозирующих устройств и смесителя; предложено математическое описание входных сигналов исследуемых дозирующих устройств и СНД вибрационного типа с различной топологией материальных потоков; разработана методика инженерного расчета смесительного агрегата на базе СНД вибрационного типа, позволяющая прогнозировать однородность получаемой композиции с учетом воздействий, оказываемых со стороны дозирующих устройств.
Результаты исследования процесса дозирования дисперсных материалов позволили разработать конструкции сетчатого и порционного дозирующих устройств. Использование последних в составе смесительного агрегата позволяет получать смесь заданного качества. Подана заявка на выдачу патента РФ на изобретение «Сетчатый дозатор».
Материалы диссертационной работы апробированы в промышленности и используются в учебном процессе на кафедре «Процессы и аппараты пищевых производств» при подготовке бакалавров и магистров.
Значение дозирования в процессе смесеприготовления
Если сыпучие материалы смешиваются непрерывным способом, то неравномерная подача исходных компонентов в смеситель является одной из причин неоднородности смеси, которая при определенных условиях может иметь существенное значение [31, 32, 110]. Новобратский В.Л. в своей работе [103] предложил показатель однородности смеси, получаемой в смесителе непрерывного действия (СНД), определять как сумму двух независимых составляющих (не учитывая погрешности опытов): O =OW A (1.9) где Jd - дисперсия смеси, вызванная колебаниями состава потоков, поступающего в СНД; с?м - дисперсия смеси, обусловленная процессом смешивания компонентов в СНД.
Таким образом, неоднородность смеси, получаемой в СНД, зависит от ряда причин: отклонение фактического распределения частиц компонентов в смеси от среднего в результате недостаточного их смешивания за время пребывания в СНД; неравномерность подачи исходных компонентов в смеситель.
Под последней следует понимать: неравномерности подачи, обусловленные погрешностью дозирования (недорасход или перерасход исходных материалов); неравномерности подачи, обусловленные несинхронной работой дозирующих устройств, что является причиной возникновения не сбалансированного (по структуре) суммарного сигнала материалопотока, обладающего большими мгновенными расходными флуктуациями.
Таким образом, в качестве объекта исследований выбран блок дозирующих устройств. Стабилизация и синхронизация режимов работы дозирующих устройств объемного типа позволяет использовать их в составе смесительного агрегата без ущерба для качества смеси.
Даже при идеальном смешивании погрешности в соотношении компо нентов, подаваемых на вход в смеситель, вследствие погрешности питания приводят к изменению в составе продукта, как в самом аппарате, так и на выходе из него. Однако до настоящего времени проведено недостаточное количество экспериментальных работ, рассматривающих систему "дозирующие устройства - смеситель" как единое целое [46, 52, 103, 114]. Многие авторы [31, 32, 36, 106, 111], исследуя различные типы питающих устройств, математически описывают динамику процесса непрерывного смешивания без учета условий стабильности питающих потоков и их структуры. Известно [81], что чем больше емкость смесителя, тем он менее чувствителен к погрешностям питания. Однако увеличение количества материала, находящегося в смесителе, приводит к росту энергозатрат на смешивание. Чувпило А.В. [114] рассматривает процесс дозирования и смешивания как единое целое. Автор считает, что в готовой смеси можно выделить микрообъемы, соответствующие требованиям, предъявляемым к качеству. Если дозирование осуществлять такими микрообъемами, то не требуется смеситель. Смеситель нужен лишь в случае невозможности подачи компонентов с минимальным сечением питающего потока для приведения массы в однородное состояние.
В работе Новобратского В.Л. [103] предложен метод расчета статистических параметров готовой смеси в зависимости от характера входных флуктуации питающих потоков и динамической характеристики смесителя. Рассмотрен периодический и случайный характер флуктуации. В первом случае для расчета дисперсии концентрации исходных компонентов в готовой смеси необходимо знать амплитуду и частоту входных периодических колебаний и амплитудно-частотную характеристику смесителя, во втором необходимо рассчитать корреляционную функцию входного потока и передаточную функцию смесителя, а также иметь сведения по кинетике процесса смешивания.
Заметим, что знание только амплитуды и частоты питающих потоков не достаточно для описания входных дозирующих процессов, поскольку перераспределение входных (на смеситель) компонентов на предварительной стадии, предшествующей смешению, почти полностью определяется, с одной стороны, составом блока дозирующих устройств (БДУ), а с другой - режимно-конструктивными параметрами дозаторов, входящих в его состав.
Таким образом, из проведенного обзора исследований, посвященных изучению влияния флуктуации питающих потоков на статистические параметры смеси на выходе СНД, следует, что их можно рассматривать как стационарный случайный процесс; флуктуации питающих потоков могут иметь как периодический, так и случайный характер. Однако на практике периодические сигналы искажаются помехами. При исследовании питающих потоков необходимо знание динамических характеристик в параметризованной форме как для дозаторов непрерывно-периодического, так и дискретно-порционного типов.
Моделирование смесительного агрегата на основе кибернетического подхода
Среди известных методов моделирования процесса смешивания достаточно широко используется кибернетический подход [27, 79, 82, 101, 102, 107]. В этом случае математическая модель процесса смешивания для конкретного аппарата состоит из типовых идеализированных структур, которые отражают тот или иной вид движения и описываются определенными уравнениями. Результаты использования методов технической кибернетики при описании процесса смешивания позволяют отметить следующее:
1. они более полно и объективно отражают физику процесса, т.к. определение структуры моделей основано на изучении характера распределения частиц компонентов в аппарате и анализе действующих механизмов смешивания;
2. модели позволяют достаточно хорошо учитывать влияние флуктуации потоков, входящих в смеситель, на качество смеси, получаемой в нем. Однако они не описывают эффекты микросмешения и непосредственно саму кинетику процесса.
Интерпретируя смесительный агрегат (СА) динамической системой, можно осуществить его моделирование с использованием методов технической кибернетики. Таким образом, в нашем случае объектом исследования является динамическая система, включающая в себя блок дозирующих устройств, который формирует входной сигнал, и СНД, преобразующий его.
Функционально-структурная схема СА представлена на рис. 2.3. Для получения модели СА сигналы, формируемые дозирующими устройствами, с помощью преобразования Лапласа переводятся из временного вида в операторный. На основании известных свойств преобразования Лапласа [89] суммарный сигнал от блока дозирующих устройств в операторной форме запишется в следующем виде: waE(S) =IX,(S), /=i (2.20) где W%(S) - операторная форма сигнала, формируемого г-м дозатором (иначе передаточная функция z -го дозатора); S - независимая комплексная переменная, символизирующая дифференцирование по времени; п -количество дозаторов. где col - циклическая частота колебаний сигнала основного компонента; C0]c"2nk/Td - циклическая частота колебаний, соответствующая к-и гармонике Фурье-разложения сигнала типа «прямоугольная волна», формируемого порционным дозатором; А0, Аь Вк - коэффициенты Фурье-разложения.
При формировании математической модели СНД необходимо охарактеризовать динамику перемещения материала в нем. В своей работе [83] проф. Макаров Ю. И. охарактеризовал 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 смешения и вытеснения.
Следовательно, СНД можно моделировать сочетанием схем инерционных звеньев того или иного порядка и звеньев чистого запаздывания. Для количественного анализа функционирования работы СНД его динамические характеристики аппроксимируются либо одноемкостным объектом с чистым запаздыванием, либо двухемкостным, то есть апериодическим звеном второго порядка.
Высокие частоты входных концентраций хорошо сглаживаются СНД, а низкочастотные составляющие пропускаются (фильтруются) на выход с соответствующими коэффициентами передачи. Таким образом, СНД можно рассматривать как звено динамической системы, обладающее свойством низкочастотного фильтра, а его ПФ представить звеном первого или второго порядка. Примем, что передаточная функция СНД имеет вид, соответствующий апериодическому звену 2-го порядка с чистым запаздыванием:
Описание непрерывно действующего смесителя Вибрационного типа
Вибрационный смеситель непрерывного действия (рис. 3.7) состоит из корпуса 1, на внутренней поверхности которого закреплено перемешивающее устройство 2 в виде спиральной перфорированной лопасти. Загрузочный бункер 3 выполнен в виде цилиндра и прикреплен к днищу 4. Наружной поверхностью бункер 3 примыкает к лопасти 2, образуя желоб. В стенке бункера 3 два оппозитно расположенных отверстия: нижнее 5 на уровне днища 4 и верхнее 6 на уровне поворотного рассекателя 7, установленного на верхнем витке перемешивающего органа. Смеситель имеет выгрузочный патрубок 8, упругие элементы 9, посредством которых он присоединен к станине, и вибропривод 10. На днище 4 в загрузочном бункере 3 соосно с ним установлена вставка 11 в виде тела вращения. В образованном кольцевом зазоре-желобе, у отверстия 5 смонтирована заслонка 12, с возможностью поворота на оси.
При включении вибропривода 10 корпус 1 с перемешивающим устройством 2 совершает сложное пространственное движение, возникающее в результате расположения упругих элементов 9 под углом к оси аппарата.
Ингредиенты поступают в цилиндрический загрузочный бункер 3 сверху, попадают в кольцевой зазор-желоб, где движутся под действием направленной вибрации, перемешиваются как друг с другом, так и с готовым продуктом, возвращаемым на рециркуляцию отсекателем 7 через отверстие 6. Затем эта усредненная смесь-полуфабрикат поступает через отверстие 5 на перфорированный желоб 2. Заслонка 12, установленная в кольцевом зазоре у отверстия 5, позволяет регулировать высоту слоя материала и величину его усреднения. В крайнем левом положении заслонка полностью перекрывает движение смеси по кругу, принудительно направляя ее в отверстие. В этом случае высота слоя и величина усреднения минимальны. Попав на перфорированный желоб 2, поток материала движется вверх по нему, перемешивается и одновременно просыпается через перфорацию на ниже лежащий виток, создавая, контур "внутреннего" рецикла. Высота виброкипящего слоя, образовавшегося на витках перемешивающегося органа, в первую очередь зависит от скорости транспортирования материала.
Отсекатель 7, установленный на верхнем витке, разделяет материал на два потока: часть смеси идет к выгрузочному патрубку 8, а другая сбрасывается через отверстие загрузочного бункера в нижнюю часть аппарата, образуя при этом контур "внешнего" рецикла. С помощью отсекателя 7 можно регулировать количество материала, поступающего в контур "внешнего" рецикла, тем самым изменяя накопительную (высота слоя на витке) и сглаживающую способности аппарата, а также его производительность. В случае периодического режима работы смесителя отсекатель 7 закрывает выгрузочный патрубок 8 и весь поток материала направляется в нижнюю часть аппарата. При достижении смесью заданного качества выгрузочный парубок 8 открывают и выгружают готовый продукт, который отводится ленточным конвейером-пробоотборником.
Качество приготовляемой смеси во многом зависит от физико-механических свойств материалов, из которых состоит композиция. В таблице 3.1 приведены некоторые свойства используемых нами материалов [72].
В смеситель непрерывного действия компоненты подаются отдельными дозаторами. Объем подаваемого ими сыпучего материала в каждые мгновения есть величина переменная, изменяющаяся во времени по тому или иному закону. В результате этого возникают отклонения расхода от заданного значения. В общем случае причинами отклонений расхода являются возможные изменения следующих величин: геометрические размеры потока в определяющем сечении; средний размер частиц дозируемой среды; зависание материала в бункере; изменение давления, воздействующего на дозируемый материал; напряжение и частота источника электроснабжения.
В качестве критерия оценки погрешности дозирования был выбран коэффициент вариации величина, которого вычислялась по известной формуле [72]:
Влияние режимных и конструктивных параметров сеточного дозатора на погрешность дозирования и его производительность
На основании анализа результатов исследований можно предположить, что порционный дозатор целесообразно использовать для получения минипорций (1 -ь 2 г.) трудносыпучих порошкообразных материалов, таких как крахмал, сухое молоко, сухая молочная сыворотка и т.д. Эта возможность проверена нами экспериментально (рис. 4.11). При проведении исследований были установлены следующие начальные условия: открыта одна ячейка, установлен скребок, давление подаваемого в дозатор воздуха составляло 16 кПа. Расхождение регрессионных моделей с экспериментальными данными составило не более 5%. Результаты экспериментальных исследований приведены в приложении 6.
Процесс формирования доз материала на выходе из дозатора порционного типа ранее был описан с помощью Фурье-разложения десятого порядка. Определим коэффициенты Фурье-модели (табл. 4.9) при дозировании муки пшеничной.
После расчета коэффициентов Фурье-модели запишем сигнал порционного дозатора при, Xm(j=2,31r/c, Td=lc, Х=2, ц=1,5, v-2 который выглядит следующим образом: Хи (0 = 0,7215 + ОД 95 cos(6,28 /) +1,13 sin(6,28 t) - 0,468 cos(l 2,56 t) + + 0,235 sin(12,56 0 - 0,126 cos(18,84 t) + 0,021 sin(l 8,84 t) - 0,117 cos(25,12 t) + +1,889 10 4 sin(25,12 t) - 0,045 cos(31,41 t) - 7,86 10"3 sin(31,41 0 (4.5) - 0,052 cos(37,7 0 - 0,026 sin(37,7 0 + 3,869 10-3 cos(43,98 0 - 0,023 sin(43,98 0 + 3,714 10"7 cos(50,26 0 - 2,13 10-9 sin(50,26 t) + + 2,466 40 3-cos(56,54-0 + 0,014-10-3-sin(56,54-0-0,019-cos(62,83-0 + + 9,483-10-3-sin(62,83-0.
Импульсная переходная функция сигнала (4.12) имеет вид: w/,„ 0,7215 0,195-5 7,1 0,468-5 1,47 5 S2 +39,47 52 +39,47 52+158 S2 +158 0,126 -5 0,13 0,117-5 11,72-10-4 0,045-5 .+ : + 52+355,32 52+355,32 52+631,52 52+631,52 52+987,21 49,38-10"3 0,052-5 0,16 3,869 -10 3 -5 0,144 .. ,. 52+987,21 52+1421,3 52+1421,3+ 52+1936 + 52+1936 + 3,714-10"7-5 13,38-Ю"9 2,466-10-3-5 0,088 52+2526 5і+2526 52+3196,77 52+3196,77 -з 0,019-5 59,58-10 + 52+3947,6 52+3947,6
Сигналы порционного дозатора для случая общего режима работы представлены в таблице (приложение 4).
В рамках исследования работы смесителя было проведено два эксперимента. Первый - нахождение рациональных параметров его работы. Целью второго было определение и сравнение коэффициентов неоднородности Vc при различных схемах организации движения материальных потоков.
На первом этапе экспериментально были выявлены следующие факторы, влияющие на качество смеси: 1. коэффициент внешней рециркуляции. 2. коэффициент внутренней рециркуляции. 3. амплитуда колебаний. 4. частота колебаний. 5. физико-механические свойства перерабатываемого материала (насыпная плотность, дисперсность и др.).
Рациональные значения коэффициентов рециркуляции были приняты по результатам корреляционного анализа (а=0,3; (3=0,5). Эксперимент проводился на смеси манки и сахара в соотношении 1:15. Их физико-механические свойства приведены в табл. 3.1.
Целью эксперимента являлось выявление рациональных режимов работы смесителя (амплитуда и частота колебаний) при традиционной схеме движения материальных потоков. Исследования проводились в следующих диапазонах значений амплитуды (А) 0,002 + 0,0036 м и частоты колебаний вибратора (п) 16,67 + 25 с" согласно матрице планирования (табл. 4.10 и 4.11). Обработка результатов эксперимента проводилась в интегрированной системе статистического анализа «Statistica». С её помощью получено уравнение регрессии, описывающее вид и степень влияния параметров вибрации на коэффициент неоднородности: ГС=42,811-12885,6 -1,524-И+2,188-106- 2+18,758-Й +0,028-И2 (4.7)
По результатам проведённого эксперимента получена поверхность отклика, которая показана на рис. 4.12. Более тщательный анализ можно сделать по графику (рис. 4.13), на котором изображены контурные срезы поверхности отклика. Из графика видно, что значение Vc не больше 5 % можно получить при и=22+30 с"1 и Л=0,0024 +0,0028 м. Адекватность уравнения экспериментальным данным проверяли по коэффициенту детерминации {R ), величина которого составила 0,89.
При анализе данных, полученных на втором этапе исследований, была построена диаграмма (рис. 4.14). Ее анализ показывает, что при последовательном разбавлении с разделением потока основного компонента на две части коэффициент неоднородности меньше, чем при классической схеме организации движения материальных потоков.
