Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Способы и устройства перемешивания жидких сред для получения пищевых эмульсий.. 13
1.1 Обзор жидких гетерогенных сред в пищевой промышленности. 14
1.2 Способы перемешивания жидких сред для получения пищевых эмульсий. 16
1.3 Аппараты для получения пищевых эмульсий 20
1.3.1 Группа аппаратов центробежного типа 20
1.3.2 Группа аппаратов вибрационного типа 25
1.3.3 Группа аппаратов кавитационного типа 27
1.4 Состояние вопроса и задачи исследования 28
Глава 2. Исследование процесса получения пищевых эмульсий в аппарате с вибромешалкой 30
2.1 Описание способа возбуждения колебаний 30
2.2 Исследование устойчивости колебательного процесса 31
2.3 Устройство возбуждения колебаний рабочего органа аппарата с вибромешалкой . 38
2.4 Исследование закономерностей движения жидкой среды в аппарате с вибромешалкой 39
2.5 Моделирование виброперемещений рабочего органа аппарата с вибромешалкой . 47
2.6 Теоретическое обоснование возникновения вибромеханических эффектов .
2.6.1 Эффект повышения турбулизации жидкой среды 49
2.6.2 Виброструйный эффект 51
2.6.3 Эффект вибрационного поддержания вращения 54
2.7 Определение потребляемой мощности аппарата с вибромешалкой
2.8 Выводы по второй главе 60
Глава 3. Разработка экспериментального аппарата с вибромешалкой для получения пищевых эмульсий 63
3.1 Разработка экспериментального аппарата с вибромешалкой для получения пищевых эмульсий 63
3.2 Разработка плана экспериментальных исследований и сопостав ление их результатов в процессе перемешивания с колебаниями и без них... 65
3.3. Описание измеряемых параметров и применяемая аппаратура 68
3.4 Определение технологических параметров колебаний рабочего органа аппарата с вибромешалкой для обеспечения углубленного турбулентного движения жидкой среды 72
3.5 Определение технологических параметров колебаний рабочего органа аппарата с вибромешалкой для обеспечения виброструйного эффекта 85
3.6 Определение технологических параметров колебаний рабочего органа аппарата с вибромешалкой для обеспечения эффекта вибрационного поддержания вращения 90
3.7 Экспериментальные исследования процесса приготовления
эмульсии для смазки хлебных форм 93
3.8 Руководящие материалы для настройки аппарата с вибромешалкой 102
3.9 Выводы по третьей главе 103
Глава 4. Методика расчета конструкторских и технологических параметров аппарата с вибромешалкой для получения пищевых эмульсий 105
4.1 Разработка методики расчета конструкторских и технологических параметров аппарата с вибромешалкой 105
4.2 Выводы по четвертой главе 110
Глава 5. Подтверждение эффективности применения аппарата с вибромешалкой для получения пищевых эмульсий 111
4
5.1 Применение аппарата с вибромешалкой при производстве эмульсий для смазки хлебных форм 112
5.2 Применение аппарата с вибромешалкой при производстве жидких смесей для приготовления мягкого мороженого 116
5.3 Внедрение в учебный процесс 118
5.4 Рекомендации по применению аппарата с вибромешалкой 119
5.5 Выводы по пятой главе 121
Выводы и основные результаты работы 122
Список литературы
- Аппараты для получения пищевых эмульсий
- Моделирование виброперемещений рабочего органа аппарата с вибромешалкой
- Описание измеряемых параметров и применяемая аппаратура
- Разработка методики расчета конструкторских и технологических параметров аппарата с вибромешалкой
Введение к работе
Актуальность темы. Обеспечение высоких результатов при производстве различных пищевых продуктов возможно только на базе использования в промышленности современных достижений науки и техники. Одной из основных задач совершенствования пищевого производства является интенсификация гидромеханических процессов, в частности перемешивания (диспергирования) жидких гетерогенных сред для получения пищевых эмульсий. При этом большое внимание уделяется увеличению скорости протекания гидромеханических процессов.
Неоднородная структура, непрезентабельный внешний вид, неудовлетворительные вкусовые качества и питательные свойства, нарушение норм и стандартов – далеко не все последствия, к которым приводит некачественное перемешивание. В ряде случаев действующее оборудование не обеспечивает смесь требуемого качества. Особенно остро такая проблема стоит при приготовлении эмульсий на водно-жировой основе (например, эмульсии масло-вода), насыщении продукта микродозами витаминов и вкусовых добавок. Одним из важнейших показателей качества эмульсий является их стабильность, что очень важно при длительном хранении продуктов.
Наиболее частой ошибкой при получении является неправильный
выбор интенсивности механического воздействия. Часто считают, что диспер
гирование происходит тем лучше, чем сильнее перемешивается (взбалтывается)
смесь В действительности существует некоторая оптимальная ин
тенсивность механического воздействия, выше которой происходит
не а наоборот –
Такие проблемы возникают в химической, пищевой и других отраслях промышленности. К общим проблемам этих предприятий относится высокое энергопотребление аппаратов для получения эмульсий, сложность их периодического обслуживания и поднастройки.
Перспективным при получении пищевых эмульсий является оборудование, увеличивающее турбулизацию и циркуляцию потоков при одновременном снижении энергопотребления и металлоемкости. Это возможно за счет создания встречных потоков и вихревых движений жидких сред, что требует создания центробежных сил, существенно превосходящих гравитационные, либо созданием акустических волн, которые обеспечивают кавитацию, акустическое давление, пульсирующие микропотоки и др.
Данная работа выполнялась в рамках приоритетных направлений научно-исследовательской работы Высшей школы, разработанных Министерством образования и науки Российской Федерации по теме «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области станкостроения» при финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 годы (госконтракт №14.740.11.0023), Российского фонда фундаментальных исследований (проект №12-08-00981-а и №12-08-31 533-мол_а) на 2012–2014 гг. и при Финансовой поддержке Фонда Содействия развитию малых форм предприятий в научно-
технической сфере в рамках программы «Старт 07» (госконтракты №4897р/7319 и №6222р/7319 на 2007–2009 гг.), а также работа поддержана научным грантом губернатора Челябинской области в 2006 г.
Кроме того, результаты научной работы отмечены стипендией губернатора Челябинской области (постановление от 29 сентября 2006 г. №278).
Цель работы: совершенствование аппарата с вибромешалкой для получения пищевых эмульсий на основе принципа действия, заключающегося в увеличении циркуляции потоков посредством создания встречных вращающихся затопленных струй.
Для достижения цели работы необходимо решить следующие задачи:
– разработать принцип действия аппарата с вибромешалкой, исключающий выявленные недостатки известных способов и устройств для получения пищевых эмульсий, в основе которого лежит создание встречных затопленных струй, получающих вращение и радиально-осевые колебания;
– разработать математическую модель движения встречных вращающихся затопленных струй жидкой среды с учетом влияния параметров колебаний рабочего органа аппарата с вибромешалкой на траекторию этих струй;
– провести компьютерное моделирование виброперемещений рабочего органа аппарата, увлекающего за собой жидкую среду, для определения возможностей управления траекториями вращающихся затопленных струй жидкой среды;
– теоретически и экспериментально определить наивыгоднейшие технологические параметры процесса перемешивания жидких сред для получения пищевых эмульсий, посредством которых возможно управлять траекториями встречных вращающихся затопленных струй в аппарате с вибромешалкой;
– для оценки качественных показателей процесса перемешивания при получении пищевых эмульсий, экспериментально определить технологические параметры и разработать руководящие материалы для настройки аппарата;
– разработать методику расчета конструкторских и технологических параметров аппарата с вибромешалкой для получения пищевых эмульсий;
– внедрить результаты исследований в производство эмульсий для смазки хлебных форм и жидких смесей для мягкого мороженого, а также в учебный процесс.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались эмпирические и теоретические методы исследования, базирующиеся на фундаментальных положениях теоретической механики и гидродинамики.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается сходимостью полученных теоретических результатов с данными натурных экспериментов, успешным внедрением результатов на производстве и в учебном процессе.
Научная новизна исследований:
– теоретически обоснован и предложен принцип действия аппарата с вибромешалкой для получения пищевых эмульсий, в основе которого лежит созда-4
ние встречных затопленных струй жидкой среды путем сообщения им совместного вращения и радиально-осевых колебаний, тем самым увеличивают длину их пути перемешивания. При этом, изменяя параметры колебаний рабочего органа, управляют траекториями встречных вращающихся затопленных струй, усиливая либо радиальную, либо осевую составляющую скорости их движения;
– разработана математическая модель движения встречных вращающихся затопленных струй жидкой среды в процессе вибрационного перемешивания компонентов пищевых эмульсий, позволяющая учитывать влияние параметров колебаний рабочего органа на траекторию этих встречных вращающихся затопленных струй;
– теоретически установлено и экспериментально подтверждено влияние технологических параметров аппарата с вибромешалкой на интенсивность встречных вращающихся струй жидкой среды, потребляемую мощность, эффективность перемешивания и показатели стабильности получаемой эмульсии.
Лично автором разработана математическая модель движения встречных вращающихся затопленных струй жидкой среды при перемешивании компонентов пищевых эмульсий и реализована в конструкции аппарата с вибромешалкой; разработана авторская методика расчета конструкторских и технологических параметров аппарата; получены номограммы, позволяющие выбрать наивыгоднейшие режимы работы аппарата с вибромешалкой.
Отличием от результатов, полученных другими авторами, является то, что предложена конструкция аппарата с вибромешалкой в основе которой лежит создание управляемых встречных вращающихся затопленных струй жидкой среды; технически обеспечена возможность одновременной реализация трех вибромеханических эффектов (эффект повышения турбулизации жидкой среды, виброструйный эффект и эффект вибрационного поддержания вращения рабочего органа), что интенсифицирует процесс перемешивания компонентов пищевых эмульсий со щадящими режимами воздействия на жидкую среду. Аппарат с вибромешалкой углубляет турбулизацию среды, приближая ее к уровню кавитационных машин, но не наносит ущерб биологической ценности продукта.
Практическое значение работы заключается в следующем:
– усовершенствована конструкция аппарата с вибромешалкой для получения пищевых эмульсий, повышающая интенсивность процесса и улучшающая качественные характеристики готового продукта;
– разработана авторская методика расчета конструкторских и технологических параметров аппарата с вибромешалкой при получении пищевых эмульсий;
– получены номограммы для выбора рациональных режимов работы аппарата с вибромешалкой при получении различных пищевых эмульсий;
– спроектирован, изготовлен и внедрен в производство аппарат с вибромешалкой для получения эмульсии для смазки хлебных форм и жидкой смеси для мягкого мороженого.
На защиту выносятся:
– математическая модель движения встречных вращающихся затопленных струй жидкой среды в процессе вибрационного перемешивания компонентов пищевых эмульсий;
– конструкция аппарата с вибромешалкой для получения пищевых эмульсий, в которой реализовано управление траекториями встречных вращающихся затопленных струй;
– авторская методика расчета конструкторских и технологических параметров аппарата с вибромешалкой.
Реализация результатов работы. Результаты работы приняты для использования:
– при производстве эмульсии для смазки хлебных форм на ОАО «Златоус-товский хлебокомбинат» (г. Златоуст);
– при производстве жидких смесей для приготовления мягкого мороженого на ООО «Русский молочный продукт» (г. Златоуст);
– в учебном процессе филиалов ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ» (НИУ) в г. Усть-Катаве и в г. Златоусте при проведении занятий по дисциплинам: «Гидравлика», «Элементы гидропневмоавтоматики» и «Теоретическая механика».
Внедрение подтверждено соответствующими актами.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: XII международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» г. Томск, ТПУ, 2006 г.; международный научный симпозиум «Гидродинамическая теория смазки – 120 лет», г. Орел, ОрелГТУ, 2006 г.; международная научно-техническая конференция «Повышение качества продукции и эффективности производства», г. Курган, КГУ, 2006 г.; V Всероссийская научно-практическая конференция «Качество продукции, технологий и образования», г. Магнитогорск, МГТУ им. Г.И. Носова, 2010 г.; I, II Международная научно-практическая конференция с элементами научной школы для молодых ученых «Инновационные технологии и экономика в машиностроении», г. Юрга, ЮТИ ТПУ, 2010, 2011 гг.; 22-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках», КВВКУ, НИРИО, г. Казань, 2010 г.; Седьмая, Восьмая Всероссийская научная конференция с международным участием «Математическое моделирование и краевые задачи», г. Самара, СамГТУ, 2010, 2011 гг.; VII Международна научна практична конференция «Ключови въпроси в съвременната наука – 2011», Бълга-рия, гр. София; VII Midzynarodowej naukowi – praktycznej konferencji «Perspektzwicyne opra-cowania s nauk i technikami – 2011», Polska, Przemyl, 2011; VIII Mezinrodn vdecko – praktick konfer «Dny vdy – 2012», esk republika, Praha, 2012 г.; Международная научно-практическая конференция «Наука и образование в XXI веке», г. Тамбов, 2013 г.; ежегодные научные конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ЮУрГУ (2008–2014 гг.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 20 научных работ, в том числе 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Семь печатных работ опубликованы в изданиях рекомендованных ВАК, и две статьи в зарубежных журналах, включенных в международную базу цитирования Scopus.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 159 страницах, содержит 23 таблицы, 10 приложений, 57 рисунков и библиографический список из 111 наименований.
Аппараты для получения пищевых эмульсий
В зависимости от физического состояния фаз различают: эмульсии, суспензии, пыли, пены, туманы и дымы.
Суспензии – это неоднородные системы, которые состоят из жидкости и взвешенных в ней твердых частиц. Суспензии подразделяют на грубые ( 100 мкм), тонкие (0,5– 100 мкм) и мути (0,1–0,5 мкм) [85–86]. В пищевой промышленности суспензии образуются при получении крахмала, а также при осаждении осадков в производстве сахара, пива, вина, в кондитерской промышленности и др. К ним относятся фруктовые и овощные пасты, помадные массы, какао-тертое и др.
Эмульсии – это дисперсные системы, состоящие из микроскопических капель жидкости (дисперсная фаза), которые распределены в другой жидкости (дисперсионная среда) [85, 89]. Нерастворимость вещества дисперсной фазы – основное условие образования эмульсии. Жидкости, из которых получают эмульсии, нерастворимы друг в друге. Чаще всего этими жидкостями являются масло (неполярная, нерастворимая в воде жидкость) и вода. Эмульсии – системы неустойчивые. Устойчивость эмульсиям придает третий компонент – стабилизатор или эмульгатор [89]. К эмульсиям относят: молоко, сливки, майонез, сливочное масло, маргарин, крем, эмульсии для смазки хлебных форм, жидкие смеси для мягкого мороженого, продукты с биологически-активными добавками.
Эмульсии производят путем диспергирования одной жидкости в другой. К механическим способам диспергирования относятся перемешивание и взбалтывание. Диспергирование взбалтыванием осуществляется возвратно-поступательным движением емкости, в которой находится смесь жидкостей, либо специальным приспособлением, находящимся внутри жидкости (например, спиральной пружиной). В основе методов перемешивания лежит использование мешалок различных типов. Также для приготовления эмульсии используют коллоидные мельницы [33, 51, 85–86, 89].
При приготовлении любой эмульсии общим является последовательность перемешивания фаз. При этом к жидкости, которая станет дисперсионной средой, добавляется вторая жидкость. Необходимым условием получения устойчивой эмульсии является присутствие стабилизатора во внешней фазе. Чтобы облегчить процесс диспергирования вводится эмульгатор, который можно растворять и в масляной, и в водной фазе [89]. Для увеличения стабильности эмульсий, в качестве эмульгаторов часто применяют фосфолипиды в значительных количествах (до 5% обьема), при этом технология получения таких эмульсий дорогостоящая. Кроме того, в некоторых случаях, было выявлено раздражающее действие фосфо-липидов на кожу рук, например, при ручном смазывании хлебных форм жировод-ной эмульсией. Неверный выбор интенсивности механического воздействия является распространенной ошибкой при получении эмульсий [51]. Известно, что при быстром перемешивании смесей жидкостей диспергирование происходит лучше. Однако, этот процесс может привести к коалесценции, так как в действительности существует некоторая оптимальная интенсивность механического воздействия.
Если на поверхности всех капелек эмульсии возникает стабилизирующая адсорбционная пленка, которая механически препятствует агрегированию и коа-лесценции, то образуется устойчивая эмульсия.
Образованная эмульгатором адсорбционная оболочка, сольватированная дисперсной фазой и дисперсионной средой, образует самостоятельную третью фазу, которая разделяет в эмульсии водную и масляную среды. Слияние капель невозможно, если присутствует пленка (энергетический барьер) [89].
Процессами, приводящими к разрушению эмульсий являются [86,89]: – Коалисценция: слияние (слипание) капель жидкости. Полное разрушение эмульсии, приводящее к выделению в чистом виде обеих фаз жидкости. – Седиментация: всплывание или оседание капель дисперсной фазы. При этом не происходит полное разрушение эмульсии, а образуется две эмульсии, одна из которых богаче дисперсной фазой, чем другая. Основными характеристиками эмульсии являются: стабильность (устойчивость), питательная ценность, время образования (приготовления) эмульсии, вязкость, степень дисперсности. Устойчивость эмульсий характеризуется временем расслаивания. Под дисперсностью эмульсий понимают степень раздробленности дисперсной фазы в дисперсной среде.
Моделирование виброперемещений рабочего органа аппарата с вибромешалкой
Для определения устойчивости равновесия механической системы используются аналитические признаки устойчивости. Изучение устойчивости положения равновесия в механике основано на исследовании изменения полной потенциальной энергии системы при отклонениях от положения равновесия, т.е. энергетический подход [11].
Полная потенциальная энергия механической системы в положении равновесия имеет стационарное значение. Если это значение минимально, то положение равновесия устойчиво согласно теореме Лагранжа. В других случаях положение равновесия не будет устойчивым.
Система может иметь несколько различных положений равновесия при одной и той же внешней нагрузке и одних и тех же условиях закрепления. Обнаружить множественность положений равновесия можно только в том случае, когда уравнения равновесия составляются для деформированной, отклонённой от своего исходного ненагруженного положения системы. Необходимо составить уравнения равновесия ротора в его деформированном состоянии. Ротор рассматривается как абсолютно жёсткое тело, имеющее кинематические связи, поэтому описание движения ротора произведем на макроуровне. А это упрощает аппарат, в связи с заменой системы в частных производных на системы обычных дифференциальных уравнений.
На рисунке 2.2,а рассмотрена упругая система, в которой движение центра масс ротора представлено как движение материальной точки с приведенной массой ти поперечной жёсткостью у в плоскости, перпендикулярной оси вращения.
Если неустойчивость поперечная, то на систему будет действовать сила упругости Рш ротора, обусловленная способом закрепления и свойствами материала стержня, и которая прямо пропорциональна поперечной деформации х,у (2.1):
Линия действия осевой силы РОС(точка К) сместится от оси симметрии системы, и, следовательно, на ротор станет действовать изгибающий момент, который вызывает появление поперечных реактивных сил AX,AY. Эти силы определяются геометрией ротора и величиной осевого усилия, и практически не зависят (приа«1) от величины смещения а. Центра масс ротора будет совершать движение относительно оси поворотной симметрии, получая ускорения х,у.
Следовательно, на систему будут действовать также силы инерции тх,ту направленные в стороны, противоположные направлениям ускорений (рисунок 2.2,б). Составим уравнения равновесия центра масс ротора (2.2):
При практическом использовании энергетического метода (в частности, метода Ритца) [29] задаются видом отклонений формы равновесия и тем самым неизбежно вносят некоторую приближенность в решение. При этом важно, чтобы предположенная возмущённая конфигурация системы удовлетворяла граничным условиям данной задачи. Среди рассматриваемых возможных отклонений конфигурации ближе остальных к истинной та конфигурация, которой соответствует наименьшее значение вычисленной энергетическим методом критической нагрузки. Согласно этому методу отклоненная форма равновесия задается с точностью до нескольких неопределенных параметров, и затем соотношения между ними определяются из условий минимума полной энергии системы.
Потенциалы реактивных сил определяются работой этих сил по перемещению центра масс ротора и равны произведению сил АХ, AY на соответствующие перемещениях, . Потенциалы взяты со знаком «плюс», т. к. направления реактивных сил совпадают с выбранным направлением движения точки (см. рисунок 2.2). Потенциалами движущейся материальной точки являются величины - тхх, - туу, которые определяют работу приложенных к ней инерционных сил (направление сил инерции тх,ту не совпадает с направлением движения точки). Следовательно, согласно (2.4), полная потенциальная энергия будет равна Э = AXx + AYy-mxx-myy--j(x2+y2) + Э 0, (2.8) где Э0 - полная потенциальная энергия исходного состояния равновесия, не зависящая отхи у. Деформированное состояние системы полностью описывается двумя независимыми параметрами х,у, следовательно она имеет две степени свободы.
Определим изменение полной потенциальной энергии AЭ при переходе рассматриваемой системы к новому состоянию, аналогичному исходному
В исходном состоянии (при х = 0,у = 0) ДЭ = 0. Если исходное состояние устойчиво, то при любых сочетаниях х и у должно выполняться условие AЭ 0.
Для исследования функции следует использовать высшие производные [31]. Поэтому для исследования устойчивости системы нужно найти частные производные изменения полной потенциальной энергии по XиJ/,что в условиях стационарности полной энергии и ведет к двум уравнениям.
Расчет на устойчивость, в данном случае, можно было провести непосредственным решением системы (2.3), например, методом большего параметра [81] или любым другим методом, так и воспользовавшись теми или иными признаками устойчивости, согласно теореме Ляпунова [26]. В любом случае, итоговый результат был бы аналогичным.
Исследования на устойчивость системы дифференциальных уравнений описывающих данное движение показало, что все тривиальные решения этой системы неустойчивы, т.е. должно наблюдаться, так называемое, мягкое возбуждение колебаний. Это явление можно истолковать как проявление принципа минимальной диссипации (рассеяние энергии) в трактовке И.Р. Пригожина и Н.Н. Моисеева [36, 60].
Хотя принято считать, что при переходе системы от состояния с максимальной диссипацией к состоянию с минимальной диссипацией, как к более упорядоченному, должен существовать некий порог. В рассмотренной системе такого порога обнаружить не удается: возбуждение автоколебаний всегда мягкое. В этом способе при незначительных частотах вращения ВР стабильно получают в сотни раз превышающие частоты круговых колебаний . И при этом, варьируя значительным количеством исходных параметров, регулируют и даже авторегу-лируют частоту и амплитуду этих колебаний в широком диапазоне независимо от величины сопротивления технологической среды [36].
Переходный процесс возбуждения колебаний характеризуется практически мгновенным выбегом тарелки ротора на стационарную круговую орбиту (рисунок 2.3,а,б,в). При этом происходит смещение продольной оси ротора 1 от оси z на величину a, в результате возникновения момента трения MТР между ротором 1 и контртелом 2, с последующим планетарным обкатыванием тарелки ротора 3 по поверхности контртела 2, которое сопряжено с ним. При этом создается вынуждающая центробежная сила F, вызывающая возбуждение всей колебательной системы, за счет того, что центр тяжести ротора (ц.т.), который кинематически неуравновешен, совершает колебания (поперечные радиальные) вокруг оси поворотной симметрии. Центр тарелки 3 описывает круговую траекторию в направлении, противоположном его вращению, при этом частота колебаний ротора значительно превышает частоту его вращения ВР [1].
Описание измеряемых параметров и применяемая аппаратура
В общем случае трёхмерного движения жидкой среды поле течения определяется, во-первых, вектором скорости C) = iu + jv + kw, где и, v, w проекции скорости на оси прямоугольной системы координат, во-вторых, давлением р и, в-третьих, плотностью . Для описания процесса движения жидкой среды используется уравнение (2.14) [34, 82, 91, 99]: I
При исследовании движения жидкой среды рассматриваются сжимаемые и несжимаемые течения [34, 82, 91, 99]. Если производятся исследования сжимаемых течений, уравнений Навье-Стокса и уравнения неразрывности недостаточно. В самом деле, изменения давления и плотности, происходящие в сжимаемых течениях, влекут за собой изменения температуры, что приводит к необходимости ввести в рассмотрение некоторые термодинамические соотношения [91]. При этом, если рассматривать как заданные массовые силы X, Y, Z, то мы имеем семь уравнений для определения семи величин u, v, w, p, , T, . В случае изотермического изменения состояния определяют пять неизвестных величин u, v, w, p, .
Для решения задач перемешивания жидких сред рассматриваем несжимаемые течения (=const), для которых перечисленная выше система уравнений значительно упрощается, даже в случае непостоянной температуры внутри жидкости. В самом деле, прежде всего уравнение неразрывности (2.15) получает более простой вид
Далее, поскольку в несжимаемых течениях разности температур в общем случае малы, коэффициент вязкости можно рассматривать как постоянную величину и поэтому уравнение состояния и уравнение энергии не нужны для расчета поля течения. Следовательно, этот расчет может производиться независимо от термодинамических уравнений. В результате уравнения движения (2.14) и уравнение неразрывности (2.17) упрощаются и, если члены, содержащие ускорение, выписать в раскрытом виде, принимают вид
Необходимо задавать граничные и начальные условия для полной физической определенности решений системы уравнений Навье-Стокса. В вязкой жидкости имеет место прилипание частиц жидкости к стенкам, при этом исчезают нормальная и касательная составляющие скорости.
Гидромеханические процессы в аппаратах с мешалками, как правило, описываются уравнениями движения жидкости в цилиндрических координатах [32, 91, 104], в которых учитываются скорости радиальных и осевых внутренних потоков жидкости. Обозначим через r, t, z соответственно радиальную, окружную и осевую координаты цилиндрической системы координат, через Vr Vt Vz – составляющие скорости в направлении этих координат, и выполним переход от прямоугольных координат к цилиндрическим. Для несжимаемой жидкости мы получим вместо уравнений (2.18) и (2.19) следующие
Рассмотрим плоский диск, вблизи которого происходит течение жидкой среды (рисунок 2.5). Диск равномерно вращается с угловой скоростью вокруг оси, перпендикулярной к его плоскости [32, 91, 102–103]. Принимаем в состоянии покоя жидкость, находящуюся вдали от диска. А слой жидкости, расположенный у диска, вследствие трения увлекается последним и отбрасывается наружу под действием центробежной силы. При этом к диску в осевом направлении притекает новая жидкость взамен отброшенной, которая снова увлекается диском и опять отбрасывается наружу.
Течение в окрестности диска Следовательно, в данном случае мы имеем полностью трехмерное течение. Вследствие осевой симметрии и стационарности течения уравнения Навье-Стокса и уравнение неразрывности в цилиндрических координатах получают вид
При наложении на вращение радиально-осевых колебаний создается циркуляция встречных затопленных потоков рабочей среды [65–67, 106]. В данном случае будут доминировать такие факторы, как частота и амплитуда колебаний, оказывающие воздействие на составляющие скорости движения жидкой среды.
Исследуем кинематические характеристики вращающихся дисков 1 диаметром DД (рисунок 2.6), размещенных на роторе, посредством которых создаются встречные затопленные струи жидкой среды, которым сообщают вращения и ра-диально-осевые колебания. а)
Рисунок 2.6 – Расчетная схема определения координатных скоростей на периферии диска ротора аппарата с вибромешалкой: а) динамическая; б), в) кинематическая (l1 – длина стержня ротора от тарелки ротора до центра тяжести диска; a1, a – амплитуды радиальных колебаний; a2 – амплитуда осевых колебаний; R1 – радиус диска ротора; R – радиус тарелки ротора).
Определяем максимальные амплитудные значения координатных составляющих скорости движения точек на периферии диска ротора аппарата с вибромешалкой (2.25): (Ді + фооВР,
Максимальную скорость движения жидкость будет иметь в периферийной зоне нижнего диска (т. А) (см. рисунок 2.5). В данный момент времени скорость в т. С. равна нулю (т. С. является мгновенным центром скоростей).
Разработка методики расчета конструкторских и технологических параметров аппарата с вибромешалкой
Таким образом, согласно теории, полученные экспериментальные результаты показывают, что использование аппарата с вибромешалкой позволяет сократить время приготовления эмульсии, увеличить время расслаивания, экспериментально подтверждено влияние осевого усилия, времени перемешивания и концентрации масла в эмульсии на время расслаивания эмульсии. Это позволяет повысить производительность процесса перемешивания, следовательно увеличить интенсивность и эффективность.
Руководящие материалы для настройки аппарата с вибромешалкой Исследования, проведенные с различными технологическими средами на аппарате с вибромешалкой, позволили определить оптимальные гидромеханические параметры: частоты вращения дисков ротора, частоты и амплитуды колебаний дисков ротора, скорости движения жидкой среды, числа Рейнольдса, значения вибрационного момента, при которых возможно обеспечение ряда физических эффектов (эффект турбулизации жидкости, виброструйный эффект, эффект вибрационного поддержания вращения ротора). Эти найденные границы параметров позволяют получить руководящие материалы для настройки аппарата с вибромешалкой в виде номограмм (см. приложение 4), позволяющих выбрать наиболее рациональные режимы его работы (диапазоны: скоростей движения жидкой среды, влияющие на числа Рейнольдса; вибрационного момента; амплитуд и частот колебаний рабочего органа), при которых обеспечиваются требуемые показатели качества готового продукта.
Они могут быть полезны для технологов пищевых производств при настройке аппаратов с вибромешалками. Пример номограммы изображен на рисунке 3.27.
1. Усовершенствована конструкция аппарата с вибромешалкой для получения пищевых эмульсий с учетом принципа действия, заключающегося в увеличении циркуляции потоков посредством создания вращающихся встречных затопленных струй.
2. Выявлено, что при изменении величины осевой силы прижима ротора обеспечивается эффективное плавное регулирование параметров колебаний ротора с дисками аппарата с вибромешалкой, т.к. изменение частоты вращения ротора приводит к резкому изменению амплитуды, при этом точность настройки обеспечить сложно, а изменение осевого усилия к плавному изменению амплитуды.
3. Экспериментально определены рациональные конструкторские и технологические параметры: частота вращения рабочего органа, осевое усилие прижатия ротора с дисками к контртелу, частота и амплитуды колебаний ротора с дисками, числа Рейнольдса, скорости движения жидкой среды в различных направлениях, мощность, затрачиваемая на перемешивание, влияющие на формирование траекторий и интенсивность вращающихся встречных затопленных струй жидкой среды в процессе перемешивания. В частности, определено, что при приготовлении эмульсии для смазки хлебных форм, интенсивный турбулентный режим возникает при числах Рейнольдса Re 5103, виброструйный эффект при осевой скорости Vz 0,1 м/с.
4. Применение аппарата с вибромешалкой при приготовлении эмульсии для смазки хлебных форм позволяет получить устойчивые во времени эмульсии (время расслаивания эмульсии увеличилось в 3…4 раза по отношению к перемешиванию на традиционном оборудовании).
5. Получены руководящие материалы для настройки аппарата с вибромешалкой в виде номограмм, позволяющих выбрать наиболее рациональные режимы его работы (диапазоны: скоростей движения жидкой среды, влияющие на числа Рейнольдса; вибрационного момента; амплитуд и частот колебаний рабочего органа), для обеспечения требуемых показателей качества готового продукта.
Была разработана авторская методика (свидетельство №2011617664 (см. приложение 5)) расчета конструкторских и технологических параметров аппарата с вибромешалкой для получения пищевых эмульсий [79], основанная на результатах теоретических исследований моделей (2.12, 2.13, 2.25, 2.26, 2.27, 2.30) и подтвержденных экспериментальными исследованиями.
Эта методика реализована в виде программы, написанной на языке DELPHI [15, 47, 54, 70, 79]. Структурная схема и интерфейсы программы представлены на рисунках 4.1, 4.2 и 4.3.
Сначала производится ввод исходных данных для определения конструкторских и технологических параметров аппарата с вибромешалкой, которыми являются (рисунок 4.1, 4.2,а): – параметры технологической среды (t – температура рабочей среды; V– объем рабочей среды; – плотность рабочей среды; tрас – время расслаивания рабочей среды; вид рабочей среды); – параметры процесса перемешивания жидких сред для получения пищевых эмульсий (PОС – осевое усилие прижатия ротора к контртелу; ВР – частота вращения дисков ротора аппарата с вибромешалкой).
Затем производится выбор переменных параметров из общих исходных данных, представленных выше, с целью выявления параметра, который наиболее эффективно будет влиять на процесс перемешивания жидких сред.
