Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса. цель и задачи исследований 7
1.1 Существующие конструкции смесительных устройств 7
1.1.1 Червячно-лопастные смесители 8
1.2 Анализ исследований процесса смешивания 24
Выводы. Цель и задачи исследования 40
2 Теоретические предпосылки к обоснованию конструктивно-технологических параметров шнекового смесителя 42
2.1 Анализ движения частицы смешиваемого материала в шнековом смесителе 42
2.1.1 Скорость материальной частицы в зоне движения по транспортирующему шнеку 47
2.1.2 Скорость материальной частицы в зоне движения по лопатке 48
2.1.3 Скорость материальной частицы в зоне свободного движения материала 56
2.2 Производительность смесителя 65
2.3 Математическая зависимость качества смешивания от конструктивно-кинематических параметров смесителя 69
Выводы 70
3 Программа и методика экспериментальных исследований. анализ результатов экспериментов 72
3.1 Программа экспериментальных исследований 72
3.2 Методика проведения экспериментов 72
3.3 Описание экспериментальной установки 73
3.4 Методика определения качества смешивания
3.5 Факторы, влияющие на процесс смешивания в шнековом смесителе непрерывного действия. Планирование и методика проведения эксперимента 3.6 Методика определения коэффициентов, необходимых для уточнения теоретических исследований 96
3.6.1 Методика определения коэффициента интенсивности смешивания
3.7 Анализ экспериментальных данных 98
3.7.1 Отсеивающий эксперимент 98
3.7.2 Эксперимент по описанию почти стационарной области 99
3.7.3 Установление взаимосвязи между производительностью смесителя и качеством смешивания 100
3.7.4 Методика подбора технологических параметров шнекового смесителя для разных условий работы (различной производительности) 1q6
Выводы по результатам экспериментальных исследований ц2
4 Оценка экономической эффективности использования смесителя 1 j 5
Общие выводы 12о
Литература 122
- Червячно-лопастные смесители
- Скорость материальной частицы в зоне движения по транспортирующему шнеку
- Методика определения качества смешивания
- Установление взаимосвязи между производительностью смесителя и качеством смешивания
Червячно-лопастные смесители
Процесс смешивания - один из наиболее необходимых технологических процессов во многих производствах, и вне зависимости от того, какая цель перед ним стоит, совершается он в специальных устройствах - смесителях.
Само по себе смешивание - это механический процесс, в котором частицы перемешиваемых материалов, при воздействии на них рабочих органов смесителей, изменяют свое положение в пространстве относительно друг друга без какого-либо изменения химических свойств или агрегатного состояния. В процессе смешивания уменьшается неоднородность смеси.
На сегодняшний день существует огромное количество конструкций смесительных устройств, отличающихся друг от друга по очень многим признакам: по способу установки (стационарные или передвижные); по механизму процесса смешивания (диффузионного, конвективного или диффузионно-конвективного смешивания); по характеру технологического процесса (периодического или непрерывного действия); по способу воздействия на смесь (гравитационные, пневматические, вибрационные и др.); по скорости вращения рабочих органов (тихоходные и быстроходные); по способу перемещения частиц (циркуляционные, с хаотическим перемещением частиц); по конструктивным отличиям (спиральные, лопастные, с вращающимся перемешивающим органом и неподвижным корпусом, с вращающимся корпусом и стационарными рабочими органами, с вертикальными, наклонными, горизонтальными и перекрещивающимися валами); по способу загрузки разгрузки (ручная или механическая); по совмещению с другими технологическими операциями (транспортирующе-смешивающие, измельчающе-смешивающие и др.). Для того, чтобы было проще разобраться в отличительных особенностях каждого смесителя, необходима их классификация. В качестве признака классификации можно выбрать наиболее удобный в каждом конкретном случае эксплуатации, проектирования, расчета или моделирования.
В червячно-лопастных смесителях для смешивания и перемещения материала служат лопатки, спирали, прерывистые витки шнека или винтовые ленты, закрепленные на одном или двух параллельных валах, пропущенных через корпус смесителя. Сечение корпуса этих смесителей может иметь различную форму: цилиндрическую, корытообразную, овальную, перевернутой восьмерки. Для использования такого типа смесителей в конструкции малогабаритного комбикормового агрегата, применяемого в хозяйствах, предъявляется единственное требование -неоднородность смеси не должна быть выше 10% [73].
В двухвальном смесителе валы могут вращаться в одну и ту же или в противоположные стороны. Перемешивающие элементы, закрепленные на валах, как правило, однотипные (либо лопатки, либо ленты и т.д.). Однако имеются смесители, у которых перемешивающие элементы чередуются. Направление винтовых линий, по которым монтируют перемешивающие элементы в двухвальных смесителях, может быть одинаковым или разным. В последнем случае один из валов должен иметь значительно большую транспортирующую способность с тем, чтобы обеспечить прохождение смешиваемого материала вдоль смесителя от места загрузки до места выгрузки. Червячно-лопастные смесители относятся к тихоходным машинам:
На рис. 1.2 показан шнековый смеситель [5], который имеет вертикальную смесительную камеру 1 с загрузочным 2 и выгрузным 3 патрубками. В смесительной камере 1, по центральной ее оси, расположен шнек 4, состоящий из верхней 5 и нижней 6 частей, одна из которых содержит один виток винтовой поверхности левого направления, другая - один виток правого направления. Поверхности верхней 5 и нижней 6 частей шнека 4 имеют радиальные прорези 7. Шнек снабжен кожухом 8, имеющим форму цилиндрической поверхности, ограниченной его нижней кромкой. В кожухе выполнены прорези 9, параллельные оси шнека. Прорези 7 и 9 снабжены козырьками 10, расположенными на наружных поверхностях верхней 5 и нижней 6 частей шнека и кожуха 8, отогнутыми в сторону вращения шнека. Шнек приводится в движение приводом 11.
Смеситель работает следующим образом. Подлежащие смешиванию сыпучие материалы через загрузочный патрубок 2 подаются в смесительную камеру 1. Затем включается привод 11, и шнек начинает вращаться таким образом, что часть шнека, где соединяются его верхняя 5 и нижняя 6 половины, врезается в массу перемешиваемого материала. Вращающийся шнек перемещает перемешиваемый материал своей верхней частью 5 в верхней части объема смесительной камеры, а нижней частью 6 - в нижней части объема смесительной камеры. Через прорези 7 и 9 материал частично попадает в цилиндрический объем, ограниченный нижней кромкой шнека и поверхностью кожуха 8, где происходит его сложное движение, сопровождающееся интенсивным перемешиванием.
Скорость материальной частицы в зоне движения по транспортирующему шнеку
Наиболее подходящим типом смесителя для малогабаритного комбикормового агрегата, позволяющим осуществлять функции смесителя, затвора и транспортирующего органа является шнековый тип смесителей, в котором осуществляются противотоки материала.
Шнековые смесители имеют ряд преимуществ по сравнению с другими типами смесителей: позволяют работать в непрерывном режиме; имеют меньшие габаритные размеры при большей транспортирующей способности; позволяют применять большое количество различных дополнительных рабочих органов для улучшения качества смеси.
Для описания процесса смешивания в шнековом смесителе непрерывного действия наиболее приемлемыми являются теоретические положения, изложенные в работах Г.М. Кукты и А.И. Голосова [20,21,58 - 63], так как являются простыми и довольно точно описывают реальные процессы.
При анализе конструкций шнековых смесителей выдвинута гипотеза: обеспечить требуемое качество приготавливаемой смеси при уменьшении габаритных размеров смесителя, используемого в малогабаритном комбикормовом агрегате, возможно за счет применения дополнительных рабочих органов в виде лопаток, установленных продольно на винтовой линии, и прорезей в витках шнека с установленными над ними козырьками, а также увеличения диаметра кожуха смесителя по сравнению с диаметром шнека при коаксиальной установке шнека в кожухе и повышения коэффициента заполнения корпуса смесителя.
Целью работы является повышение эффективности приготовления сухих кормосмесей путем обоснования параметров и разработки шнекового
Анализ движения частицы смешиваемого материала в шнековом смесителе Качество смешивания компонентов смеси в смесителе любого типа зависит от большого количества факторов, начиная от физико-механических свойств материала, подвергаемого смешиванию, и заканчивая кинематическими параметрами смесительного устройства. Процесс смешивания является процессом перераспределения расположения частиц относительно друг друга, т.е. процессом, в котором частицы совершают движение. В конечном итоге все многообразие факторов, воздействующих на процесс смешивания, воздействует на характер движения частиц. Поэтому для того, чтобы понять механизм процесса смешивания, необходимо рассмотреть движение частицы в смесителе, механизм взаимодействия ее с рабочими органами смесителя (по выдвинутой гипотезе - с лопатками).
Процесс движения частицы по винтовой поверхности шнека довольно хорошо проработан теоретически в работах многих исследователей: А.О. Спиваковский, В.К. Дьячков, A.M. Григорьев, Н.К. Штуков, Е.И. Резник, Е.К. Гриднев, В.В. Новиков, Р.Ш. Хабатов, М.В. Стригунов, А.А. Омельченко, Л.М. Куцын, И.В. Кулаковский, И.А. Уланов, Р.Л. Зенков, В.В. Курманаевский, Б.М. Гевко, P.M. Рогатынский, И.И. Багаутдинов, А.И. Пелеев, С.Ф.Сороченко и др.[12, 15, 17, 18, 22 - 28, 40, 41, 64, 65, 71, 78, 80, 82, 92, 93, 100, 101, 108].
Но в приведенных работах шнек рассматривается как рабочий орган транспортера, в смесителе же он должен наряду с транспортированием выполнять и смешивание, в этом и состоит специфичность смесительного шнека. Значит и подход к рассмотрению движения материальной частицы в смесительном шнеке должен быть несколько иной.
Мы предлагаем следующий подход к этому вопросу. Для того, чтобы было легче теоретически рассматривать движение частицы в смесителе шнекового типа, необходимо мысленно разбить поперечное сечение смесителя на ряд обособленных зон, в которых движение материала происходит с различными, но определенными для каждой зоны скоростями, подчиняющимися различным законам, учитывающим влияние тех или иных конструктивных особенностей. На рис.2.2 показано поперечное сечение Рисунок 2.2 - Схема размещения различных зон движения материала.
исследуемого шнекового смесителя непрерывного действия. Здесь зона 1 является зоной, в которой материал движется точно также как и в обычном горизонтальном шнековом транспортере по законам движения, рассматриваемым в работах [22 - 28, 82, 92, 93], назовем ее зоной движения по транспортирующему шнеку. Зона 2 - зона, в которой учитывается влияние дополнительных рабочих органов - лопастей, вследствие чего скорость материала в этой зоне ниже, чем в зоне 1, назовем ее зоной движения по лопатке. Зона 3 - зона движения материала вокруг шнековой винтовой линии уже за ее пределами, скорость движения материала в ней отличается от скоростей движения в зонах 1 и 2. Зона 4 - пассивная область, в которой скорость материала равна нулю. В рассматриваемой модели материал переходит из одной зоны в другую, движется в них с различными скоростями, вследствие чего и происходит его перемешивание.
Методика определения качества смешивания
После проведения отсеивающего эксперимента были определены коэффициенты значимости каждого из шести факторов, учитывающихся в отсеивающем эксперименте, а также фиктивного фактора. Коэффициенты значимости факторов получили следующие значения: &;=-0,057 (частота вращения шнека); 2=-0,007 (длина смешивания); =0,0112 (подача материала); Z? =—0,0091 (угол прорезей); &j=-0,0686 (количество козырьков); Ъ6= -0,0611 (наличие лопастей); Z 7=0,0069 (фиктивный фактор). Расчет коэффициентов значимости факторов в отсеивающем эксперименте, а также проверка их на адекватность приведены в приложении В.
Таким образом, видно, что неоднородность смеси уменьшают все факторы, за исключением подачи материала. Это вполне объяснимое явление, так как при увеличении подачи количество удельных воздействий рабочих органов на каждый элементарный объем материала уменьшается, вследствие чего качество смешивания ухудшается.
Тремя наиболее значимыми факторами в отсеивающем эксперименте, уменьшающими неоднородность смеси являются: количество козырьков, наличие лопастей и частота вращения шнека.
Количество козырьков напрямую зависит от количества прорезей на винтовой ленте шнека, так как козырьки устанавливаются непосредственно над прорезями. Количество прорезей ограничивается условием прочности отдельных элементов винтовой линии, на которые разрезан шнек, да и самим наличием этих элементов. Поэтому прорези были выполнены на винтовой линии через каждые 180, а чтобы получить максимально возможное количество козырьков в смесителе, над каждой прорезью был установлен козырек.
Кроме того, при проведении отсеивающего эксперимента диаметр кожуха смесительной части шнека был равен диаметру кожуха затворной части и составлял 160мм. Шнековый рабочий орган был установлен в кожухе как у обычного шнекового транспортера, то есть соосно кожуху с некоторым зазором по всему периметру. При этом наибольшая величина подачи материала составляла 1100 кг/ч, так как при дальнейшем увеличении подачи происходило забивание смесителя.
Для проведения последующего эксперимента фактор наличия лопастей был установлен на верхний уровень, то есть лопасти были установлены. Диаметр кожуха смесительной части увеличили до 220мм, шнек в кожухе установили коаксиально, как показано на рис. 3.2. При этом величину подачи материала увеличили до 2500кг/ч, которая не являлась предельной для смесителя.
Увеличение диаметра кожуха смесительной части шнека кроме увеличения производительности смесителя дало значительное улучшение качества смеси. Данный факт можно увидеть, если проанализировать данные отсеивающего и основного экспериментов.
Таким образом, для проведения последующих экспериментальных исследований приняли сочетание трех оставшихся факторов: частоты вращения шнека, длины смешивания и величины прорезей. Так как все три вышеупомянутых фактора при их увеличении давали уменьшение неоднородности смеси, то центр эксперимента решено было сдвинуть в сторону увеличения значений этих факторов. и проверка уравнения регрессии на адекватность представлены в приложении Г. По уравнению (3.38) были построены сечения поверхностей отклика для различных сочетаний факторов (рис.3.6 - 3.8).
По уравнению (3.38) были произведены расчеты на сочетание оптимальных значений факторов, при которых показатель критерия оптимизации принимает минимальное значение. Минимально достижимое значение v=8,901%, при этом и=133,72 об/мин, L=l,69 м, аж=62,49. Для ограничения габаритов устанавливаем ограничение по длине смесителя и принимаем L=l,3 м, тогда значение и=126,3 об/мин, а Ощ, =60. Такие рациональные значения факторов очень наглядно демонстрируют рис.3.6-рис.3.8. При этом остальные факторы принимают следующие значения: количество лопаток 12 шт/м; количество прорезей 12 шт/м; козырек над каждой прорезью.
Установление взаимосвязи между производительностью смесителя и качеством смешивания
В результате экспериментальных исследований была подтверждена выдвинутая гипотеза о том, что сохранить качество приготавливаемой смеси при уменьшении габаритных размеров смесителя возможно за счет повышения коэффициента заполнения корпуса смесителя при одновременном использовании дополнительных рабочих органов в виде лопаток, прорезей и козырьков над прорезями, а также увеличением диаметра кожуха смесителя при коаксиальной установке шнека в кожухе.
После проведения отсеивающего эксперимента было установлено, что только один из исследуемых факторов - подача материала увеличивает
Экспериментальные исследования позволили получить рациональные параметры для проведения процесса смешивания: длина смесителя L=1,3M; величина прорезей 6 =60,0; частота вращения шнека для определенной производительности и=90об/мин для 2=1900кг/ч, л=100об/мин для 2=2100кг/ч, /7=110об/мин для 2=2300кг/ч, «=120об/мин для 9=2450кг/ч, я=130об/мин для Є-2650кг/ч, я=140об/мин для =2800кг/ч, я=150об/мин для =2950кг/ч; количество лопаток 12 шт/м; ширина лопаток /ло„=30мм; количество прорезей 12 шт/м; козырек над каждой прорезью; диаметр кожуха смесительной части Дк=220мм; диаметр вала шнека й?е=48мм; диаметр шнека і=150мм; шаг шнека S=\50MM.
В ходе экспериментальных исследований было установлено, что формула для расчета рациональной производительности смесителя согласуется с экспериментальными данными с коэффициентом корреляции =0,948.
При помощи экспериментальных исследований была установлена зависимость T = f(Q ,п), которая позволила получить математическую модель качества смеси от конструктивно-кинематических параметров смесителя. Коэффициент корреляции между величиной неоднородности смеси, полученной при помощи математической модели, и экспериментальными данными составляет 0,891, что подтверждает верность математической модели. Экспериментальные исследования позволили получить графические зависимости, при помощи которых можно легко найти необходимые характеристики смесителя для достижения желаемого качества смеси.
Экономическая эффективность применения в сельском хозяйстве научно-исследовательских работ по ГОСТ 23728-88 оценивается показателями годового экономического эффекта и экономического эффекта от использования новой техники за весь срок ее службы.
Оценить экономическую эффективность использования шнекового смесителя, разрабатывавшегося под малогабаритный комбикормовый агрегат, отдельно от агрегата, как самостоятельной машины, представляется весьма проблематичным, так как трудно найти базовый вариант машины для сравнения. Поэтому нами за базовый вариант принят малогабаритный комбикормовый агрегат УМК-Ф2, а за новую машину - малогабаритный вибрационно-ударный комбикормовый агрегат (ВУАК), разрабатываемый в АГАУ и АлтГТУ, а экономическая эффективность смесителя оценивается долей экономической эффективности агрегата. Доля экономической эффективности смесителя в общей экономической эффективности агрегата составляет 8%.
Методика расчета экономической эффективности изложена в работах [75-77]. Все необходимые данные (стоимость оборудования, его технические характеристики и пр.) взяты из
1. Анализ существующих конструкций шнековых смесителей показал, что наилучшее качество смешивания при наименьших габаритных размерах достигается в шнековых смесителях непрерывного действия с дополнительными рабочими органами, с помощью которых осуществляется взаимопротивоположное течение потоков материала.
2. Анализ движения частицы в рабочем пространстве шнекового смесителя с дополнительными рабочими органами позволил выделить три зоны (зона движения по транспортирующему шнеку, зона движения по лопатке и зона движения материала вокруг шнековой ленты за ее пределами). В процессе движения материал переходит из одной зоны в другую, движется в них с различными скоростями, за счет чего и происходит перемешивание. При анализе получены формулы для оценки скоростей движения частиц материала в каждой зоне и уравнение производительности смесителя Q=(Sm Vzm + $л VZJI + +S3C Vzc) Я- Теоретическая зависимость согласуется с экспериментальными данными с коэффициентом корреляции г=0,948.
3. Предложена математическая модель для оценки качества смешивания в зависимости от конструктивно-кинематических параметров смесителя. Полученная зависимость позволяет рассчитывать режимы работы смесителя при его использовании с различной производительностью. Математическая модель подтверждена экспериментально, коэффициент корреляции г=0,891.
4. Разработана конструкция шнекового смесителя с дополнительными рабочими органами, позволяющая применять его в составе малогабаритных комбикормовых агрегатов с диапазоном производительности от 1,9 до 2,95т/ч с зоотехнически требуемым качеством готовой смеси.
5. Подтверждена гипотеза выдвинутая в работе. Обеспечено требуемое качество приготавливаемой смеси при уменьшений габаритных размеров смесителя, используемого в малогабаритном комбикормовом агрегате, за счет использования дополнительных рабочих органов в виде лопаток, установленных продольно на винтовой линии, и прорезей в витках шнека с установленными над ними козырьками, а также увеличением диаметра кожуха смесителя, при коаксиальной установке шнека в кожухе, и повышения коэффициента заполнения корпуса смесителя.
6. Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены следующие конструктивные параметры смесителя, позволяющие получать необходимое по зоотехническим требованиям качество смешивания исходных компонентов: количество лопаток 12 шт/м; угол установки лопаток =45; ширина лопаток /лон=30мм; угол прорезей в витках шнека 0 =60,0; количество прорезей 12шт/м; козырек над каждой прорезью; длина смесительной части L=1,3M; диаметр кожуха смесительной части Дк=220мм; диаметр вала шнека с/в=48мм; диаметр шнека і=150мм; шаг шнека З ІбОмм; мощность привода смесителя 1,5кВт. Качество смешивания, оцениваемое неоднородностью смеси, составляет 9,5 %.
7. Применение предлагаемой конструкции смесителя в составе малогабаритного вибрационно-ударного комбикормового агрегата, по сравнению с агрегатом УМК-Ф2 позволяет получить годовой экономический эффект в 13200р, в ценах 1999 г.
