Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние проблемы смешивания сыпучих материалов и его моделирования и расчета 8
1.1. Общая характеристика процессов смешивания 8
1.2. Примеры аппаратурного оформления смесительного оборудования 12
1.3. Критерии оценки качества смеси 19
1.4. Процесс смешивания как объект математического моделирования 21
1.5. Выводы по главе 1: Постановка задачи исследования 32
2. Разработка математической модели процесса смешивания в лопастном смесителе непре рывного действия 34
2.1. Объект исследования и его ячеечная модель 34
2.2. Связь поперечной неоднородности потока с разгрузочной 37
2.3. Эволюция состояния смеси в смесителе и кривая распределения времени пребывания трассера 41
2.4. Численное моделирование влияния параметров процесса смешивания на распределение времени пребывания ключевого компонента 50
2.5. Выводы по главе 2 58
3. Экспериментальное исследование процессов смешивания в лопастном смесителе 59
3.1. Общие замечания по методике экспериментального исследования процессов смешивания 50
3.2. Схема экспериментальной установки и методика проведения экспериментов 63
3.3. Экспериментальное исследование разгрузочных характеристик смесителя 64
3.4. Экспериментальное исследование распределения времени пребывания компонентов в смесителе 74
3.3. Выводы по главе 3 85
4. Технологическое и техническое приложение результатов работы 87
4.1. Влияние характеристик смесителя на подавление пульсаций подачи компонентов 87
4.2. Разработка технических мероприятий по подавлению негативного влияния сегрегации 93
4.3. Сведения о практическом использовании результатов работы сторонними организациями 99
4.4. Выводы по главе 4 99
5. Основные результаты диссертации 101
6. Список использованных источников 102
7. Приложения 116
- Примеры аппаратурного оформления смесительного оборудования
- Связь поперечной неоднородности потока с разгрузочной
- Схема экспериментальной установки и методика проведения экспериментов
- Разработка технических мероприятий по подавлению негативного влияния сегрегации
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Процессы смешивания сыпучих материалов, приводящие к получению товарных смесей и полуфабрикатов, широко распространены в химической, фармацевтической, строительной, пищевой и других отраслях промышленности. Во многих непрерывных технологических процессах преимущество отдается смесителям непрерывного действия, напрямую включенным в технологический процесс. Среди разнообразных смесителей непрерывного действия значительными преимуществами обладают лопастные смесители, где вращающиеся аксиальные лопасти осуществляют одновременно достаточно эффективное перемешивание компонентов в поперечном направлении и транспорт смеси в продольном направлении. Кроме эффективного перемешивания, эти смесители призваны подавлять пульсации в подаче компо-нентов на входе в смеситель, неизбежно возникающие по различным причинам в реальных технологических процессах, то есть они решают задачу обеспечения равномерности перемешивания в пространстве и стабильности смеси во времени.
Наиболее информативной характеристикой смесителя непрерывного действия, определяющего его работоспособность в тех или иных технологических условиях, является кривая распределение времени пребывания (РВП) в нем ключевого (наблюдаемого и контролируемого) смешиваемого компонента, являющаяся обычно предметом экспериментального исследования и чисто эмпирического описания. Однако кривые РВП для различных смесителей, а часто и для одного смесителя в различных режимах работы, могут существенно различаться, и чисто эмпирический подход к их определению, с одной стороны, требует значительных материальных и временных затрат, а с другой - не позволяет установить внутренние причины их различия, а следовательно, и их устранения, если оно нежелательно.
Поэтому представляется актуальным расчетно-экспериментальное исследование процессов непрерывного перемешивания сыпучих материалов на основе
математических моделей процесса в смесителе, учитывающих по крайней мере основные реальные факторы, влияющие на кривые РВП, к которым можно отнести локальную интенсивность продольного и поперечного перемешивания,' поперечную неоднородность потока в смесителе и склонность перемешиваемых компонентов к сегрегации.
Все отмеченное и определило цель настоящей работы, которая выполнялась в
рамках ФЦП «Интеграция» (2.1 - АН8 Математическое моделирование ресур
сосберегающих и экологически безопасных технологий и международными
договорами о научном сотрудничестве между ИГЭУ и Горным институтом
г.Алби, Франция, Ченстоховским политехническим институтом, Польша, уни
верситетом г. Веспрем, Венгрия, и исследовательским центром Tel-Tek, Норве
гия. '
Цель работы — повышение эффективности процессов непрерывного лопастного смешивания сыпучих материалов на основе новой более достоверной рас-четно-экспериментальной информации о структуре потоков материала в смесителе.
Объектом исследования в работе являлись процессы смешивания сыпучих материалов в лопастных смесителях непрерывного действия.
Предметом исследования было установление закономерностей влияния реальной поперечной неоднородности потока и склонности перемешиваемых компонентов к сегрегации на формирование качества смеси сыпучих материалов в процессах непрерывного смешивания компонентов с различными физико-механическими свойствами.
Задачи исследования.
1. Выполнить экспериментальные исследования разгрузочных характеристик лопастных смесителей непрерывного действия, связывающих массу смеси в'
СМеСИТеЛе С ПрОИЗВОДИТеЛЬНОСТЫО И ПреДЛОЖИТЬ фиЗИЧеСКОе Объяснение ЭТИХ!
характеристик.
Выполнить экспериментальное исследование влияния конструктивных и режимных факторов процесса непрерывного смешивания на распределение времени пребывания частиц в смесителе.
Разработать математическую модель перемешивания в смесителе непрерывного действия, учитывающую поперечную неоднородность потока, и на ее основе объяснить характер кривых отклика для компонентов, склонных и несклонных к сегрегации.
4. Разработать подходы к подавлению негативного влияния сегрегации на ка-1
чество смешивания.
Научная новизна результатов работы.
На основе экспериментального исследования процесса непрерывного перемешивания сыпучих материалов в лопастном смесителе непрерывного действия выявлена связь разгрузочной характеристики смесителя с поперечной неоднородностью потока в нем. Установлено влияние конфигурации перемешивающих лопастей на поперечную неоднородность потока.
Экспериментально установлено влияние поперечной неоднородности потока, на кривые распределения времени пребывания частиц в смесителе и их тенденцию к бимодальности с ростом этой неоднородности.
Предложена ячеечная математическая модель процесса смешивания сыпучих материалов в лопастном смесителе, удовлетворительно объясняющая и прогнозирующая экспериментальные кривые распределения времени пребывания.
Практическая ценность результатов.
1. Предложен подход к определению поперечной неоднородности потока в смесителе, а через нее — кривой распределения времени пребывания ключевого, компонента в нем, через разгрузочную характеристику смесителя, что позволяет прогнозировать кривую РВП и находить возможности воздействия на нее '
при значительно меньшем объеме экспериментальной информации.
Разработано программно-алгоритмическое обеспечение моделирования и расчета процессов смешивания сыпучих материалов в лопастных смесителях непрерывного действия.
Предложено аппаратурное оформление смесителя, защищенное положительным решением о выдаче патента на изобретение, в котором подавляется негативное проявление сегрегации компонентов.
Предложен подход к подавлению негативного влияния сегрегации путем распределенной подачей сегрегирующего компонента в рабочий объем смесителя, на основе которого проведена модернизация конструкции лопастного смесителя в ООО «Полимерпластбетон» (Ярославль), где достигнут реальный технический эффект.
Разработанные модели процессов лопастного смешивания и их программно-алгоритмическое обеспечение нашли применение в практике выполнения промышленных и исследовательских проектов в горном институте г.Алби, Франция, Ченстоховском политехническом институте, Польша, университете г. Вес-прем, Венгрия, и исследовательском центре Tel-Tek, Норвегия.
Апробация результатов работы.
Основные положения диссертации были заслушаны и одобрены на следующих международных отечественных и зарубежных конференциях: Международная НТК „Состояние и перспективы развития электротехнологии (Бенардосовские чтения). Иваново, 2007, Международные конференции «Математические методы в технике и технологиях»: ММТТ-20, Ярославль, 2007; ММТТ21, Саратов, 2008, The Int. Conf. "Science and Technology of Particles", Albi, France, 2007, The International Symposium on Reliable Flow of Particulate Solids IV (RELPOWFLO IV), Tromso, Norway, 2008; а также экспонировались на IV выставке научных достижений Ивановской области «Инновации-2007», Иваново, 2007 (медаль оргкомитета).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе, 1 монография, 6 работ в изданиях, предусмотренных перечнем ВАК, 1 положительное решение о выдаче патента на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация представлена на 115 стр. и состоит из введения, 4-х глав, основных выводов, списка использованных источников (200 наименований) и приложения.
Автор считает приятной обязанность выразить глубокую благодарность профессору Н. Berthiaux (Франция) и профессору G. Estad (Норвегия) за помощь в организации экспериментальных исследований и обсуждении полученных результатов.
Примеры аппаратурного оформления смесительного оборудования
На рис. 1.2 показана классификация процессов смешивания и укрупненных принципов действия смешивающих аппаратов. Однако реализация того или иного принципа в конкретном аппарате — это проблема инженерного искусства и оптимального проектирования, поскольку при работе реальных смесителей процесс сопровождается множеством на первый- взгляд второстепенных эффектов, которые в совокупности могут свести на нет самые эффективные принципы построения процесса. Мы не ставим цель показать широкий спектр конструкций смесителей, который, действительно, очень широк. Обзор конструкций можно найти в работах [1, 2, 5-16, 19, 26-28, 40-58, 61-85, 92-95, 97-101, 104, 105, 107-129, 154], а также в каталогах фирм-производителей. Ниже будут рассмотрены только конструктивные схемы распространенных смесителей и то, как они реализуют рассмотренные выше принципы рациональной организации смешивания частиц.
Рис. 1.2 иллюстрирует, как тот или иной процесс смешивания реализуется в смесителях различных конструкций. Кроме разделения смесителей на аппараты периодического и непрерывного действия (первые имеют дело с фиксированными объемами компонентов, а вторые - с их потоками) важной их особенностью является то, как частицы приводятся в движение, как достигается их относительная подвижность. Эта подвижность может инициироваться свободным падением компонентов, когда в падающем потоке происходит их взаимное проникновение. Если времени падения недостаточно для требуемого перемешивания, упавшая смесь может быть возвращена в верхнее положение путем поворота смесителя, совершить повторное падение и т.д. Подвижность частиц может инициироваться движением (вращением, вибрацией) корпуса смесителя или движением в нем перемешивающих элементов. В этом случае говорят о принудительном движении частиц. Необходимо отметить, что один и тот же принцип перемешивания может реализовываться как в аппаратах периодического, так и непрерывного действия: различие может проявляться только в способах загрузки и выгрузки материала.
Перейдем к рассмотрению некоторых конкретных конструктивных схем смесительных аппаратов. Начнем со смесителей периодического действия (рис. 1.3). Подробнее со смесителями периодического действия можно познакомиться, изучив следующие литературные источники [1, 19, 28, 32, 42, 50, 57, 61, 66, 91, 98, 114]. По-видимому, наиболее простыми (а значит, и наиболее надежными в эксплуатации) являются смесители, в которых относительная подвижность обеспечивается вращением корпуса вокруг неподвижной оси. Они показаны на схемах рис.1.3,а-в. Эти смесители являются тихоходными: скорость их вращения составляет не более половины критической. Критическая скорость -это такая скорость, при которой центробежная сила инерции равна силе веса частицы. При ней частицы как бы прилипают к стенке барабана и вращаются вместе с ним без относительно движения, а значит, и смешивания. Критическая скорость рассчитывается из баланса сил оокр R=g, где R - радиус наиболее удаленной от оси точки корпуса; g - ускорение свободного падения. Обычно загрузка и выгрузка материала производится через один или несколько патрубков (на схемах не показаны), которые в верхнем положении являются загрузочными, а в нижнем - разгрузочными. Разнообразие смесителей подобного типа определяется разнообразием форм корпуса. Например, достаточно широко распространен V-образный смеситель (рис. 1.3,6). Перекрестное пересыпание материала в разные «карманы» корпуса повышает качество смешивания. Наиболее эффективным смесителем из данной группы является смеситель типа «пьяная бочка» (рис. 1.3,в), где происходит интенсивное поперечное и продольное перемешивание материала.
Смесители, показанные на рис.1.3,г-з, имеют преимущественно неподвижный корпус, а частицы приводятся в подвижное состояние путем движения внутренних элементов. Типичным представителем смесителей этой группы является аппарат, показанный на рис. 1.3,г, где внутри конического корпуса совершает сложное движение мешалка в виде шнека, которая вращается вокруг своей оси, а ось вращается вокруг центральной оси смесителя. Существуют многочисленные варианты этого аппарата: с различным движением мешалки, с несколькими мешалками, которые могут вращаться в противоположные стороны и т.д. Подобный тип перемешивания часто реализуется в бытовых миксерах.
На рис.1.3,д показан смеситель, где вращающиеся на центральном валу мешалки выполнены в виде изогнутых лент. Такие смесители также выпускаются в двухвальном исполнении. Смеситель, показанный на рис.1.3,е, перемещает смесь лопатками-дефлекторами, которые могут вращаться в неподвижном цилиндрическом корпусе, но могут быть и неподвижными при вращающемся корпусе.
Связь поперечной неоднородности потока с разгрузочной
Наиболее часто непрерывное смешивание осуществляется в лопастных смесителях, где вращающиеся лопасти осуществляют поперечное перемешивание компонентов смеси и инициируют транспорт материала вдоль смесителя. Объектом исследования в настоящей работе являлся одновальный лопастной смеситель GCM500, выпускаемый компанией GERJCKE, Швейцария. Он достаточ-но широко используется в химической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности и является довольно типичным представителем смесителей этого класса. Этот смеситель применяется в основном для смешивания сыпучих материалов, хотя и допускает подачу одного из трех возможных компонентов в жидком или пастообразном виде. Его конструкция с основными размерами схематично представлена на рис.2.1.
Смеситель состоит из корпуса 1 с загрузочным патрубком 2. Нижняя часть корпуса выполнена цилиндрической, а сопряженная с ней верхняя - в виде прямоугольного параллелепипеда. В корпусе на валу расположена прямоугольная рамка 3 с размещенными на ней в шахматном порядке рабочими лопастями 4. Рамка приводится во вращение от внешнего электродвигателя с регулируемой скоростью вращения. Внутри рамки по ее оси имеется спиральная вставка 5, служащая для дополнительного воздействия на материал. Для интенсификации выгрузки материала в конце рамки расположены с обеих сторон разгрузочные лопасти 6. Полученная смесь выходит из корпуса через окно 7 регулируемого проходного сечения в разгрузочный патрубок 8. Рабочий объем смесителя составляет 24 литра.
Вращающиеся лопасти перемешивают материал в поперечном направлении и транспортируют его вдоль смесителя в направлении разгрузочного устройства. Существует несколько вариантов конструкции лопаточного аппарата; о других его модификациях речь пойдет ниже.
Предлагаемая двухмерная ячеечная модель процесса, реализующая подход к моделированию, основанный на теории цепей Маркова, схематично показана на . рис.2.2. Рабочий объем смесителя в вертикальном направлении представлен двухмерной сеткой mxn ячеек идеального перемешивания с m строками и п столбцами. Число столбцов ячеек обычно фиксировано и связано с зонами, ометаемыми лопастями. При длине рабочей зоны смесителя L и числе рядов лопастей Z длина ячейки составляет Ax=L/Z. Высота ячейки Ау также считается фиксированной, но выбирается из соображений необходимой дискретизации высоты материала в смесителе. Очевидно, что при фиксированной высоте ячей-ки уровень материала в смесителе совпадает с величиной тДу. Ширина ячеек в направлении, перпендикулярном чертежу, разная, так как корпус внизу цилин- . дрический. В развиваемом ниже подходе этим различием пренебрегается на основании того, что также построенная нами модель с ячейками переменного по высоте объема является громоздкой, но практически не вносит отличий в рассчитываемые количественные показатели процесса.
Предлагается следующая гипотеза о механизме движения смеси в аппарате, основанная на наблюдении процесса в реальном смесителе. Свободная поверхность материала близка к горизонтальной, то есть полная масса в столбцах ячеек не меняется по длине. Материал движется слоями, определяющими расход материала вдоль каждой строки ячеек. Скорость движения слоев в общем случае различна, то есть зависит от номера строки. Компоненты смеси могут диффундировать из слоя в слой, не МЄРІЯЯ скоро- стей движения слоев вдоль смесителя. Компоненты могут иметь конвективный перенос (осредненную скорость) в поперечном направлении (вдоль столбцов), вызванный сегрегацией, который не влияет на скорости движения слоев вдоль смесителя. В соответствии с этими допущениями происходит конвективно-диффузионный перенос компонентов вдоль и поперек смесителя, формирующий их содержа ние в ячейках рабочего объема смесителя и состояние смеси на выходе. Проте кание миграции частиц в рабочем объеме существенно зависит от поперечной неоднородности потока смеси. ! 2.2. Связь поперечной неоднородности потока с разгрузочной характеристикой смесителя. Разгрузочной характеристикой смесителя непрерывного действия со свободной поверхностью материала называется зависимость M=f(Q, п), где М - масса ма териала в смесителе, Q - массовый расход смеси, п - угловая скорость враще ния лопастей. Обычно эта зависимость относительно легко определяется экспе риментально. Располагая ею, можно рассчитать среднее время пребывания сме си в аппарате
Схема экспериментальной установки и методика проведения экспериментов
Целью данного раздела является описание техники экспериментального исследования распределения времени пребывания частиц в смесителе непрерывного действия на примере экспериментального исследования смесителя непрерывного действия GCM500, выпускаемого компанией GER1CKE, Швейцария. Экспериментальные исследования выполнялись в центре порошков и процессов горного института г.Алби, Франция.
Схема смесителя и его основные размеры показаны на рис.2.1. Он является частью смесительной установки, показанной на рис.3.3. Ее основными элементами являются: сам смеситель 1, бункеры исходных материалов 2, устройства» для наполнения материалом бункеров 3. Для выполнения экспериментов смесь выгружалась на транспортер 4, как правило, в размещенные на нем кюветы 5.
Подача материала из бункера в смеситель осуществляется шнековыми питателями (на рис.3.3 не показаны). Установка оснащена достаточно сложной систе- мой автоматического регулирования, позволяющей устанавливать и поддерживать с высокой точностью производительность подачи смешиваемых материалов и частоту вращения рамки с лопастями.
Поскольку замеры производительности на выходе из смесителя штатной системой замеров не предусмотрены, ее измерение проводилось весовым способом: взвешиванием на электронных весах порции материала, вышедшей из смесителя за определенный промежуток времени. Для замеров масс, вышедших из смесителя за малые промежутки времени, разгрузка осуществлялась в кюветы, движущиеся на ленте транспортера с известной заранее установленной скоростью, с последующим взвешиванием материала в кюветах. В качестве модельных материалов использовались:
Материал А. Кускус (couscous) - гранулированная манная крупа, исполь- зуемая в качестве пищевого продукта в европейских странах. По физико механическим свойствам (плотность, угол естественного откоса, фракци онный состав) он практически полностью совпадает со свойствами пшена
Материал В. Манная крупа. (х5ов-0,34 мм, рв=1,47г/см ) Особенностью выбранных материалов является то, что спектры размеров со ставляющих их частиц не перекрываются и возможно полное их разделение путем рассевки на сите 0,8 мм.
Для трассирования материалов использовались их же частицы, помеченные цветом. Частицы кускуса окрашивались погружением в раствор йода, что придавало им практически черный цвет. Частицы манной крупы окрашивались специальным красителем, придававшим им темно-зеленый цвет. Определение содержания доли окрашенных частиц в отобранной навеске осуществлялось на специальной установке, на которой выполнялась цифровая фотография навески, обрабатываемая на компьютере по специальной программе для распознавания образов. Образец кюветы с частицами трассера показан на ( рис.3.4. Для «обучения» программы использовались пробы с заранее известным содержанием цветных частиц. В рабочем («обученном») состоянии погрешность определения содержания окрашенных частиц не превышала 5 % относительных.
Предварительно была выполнена серия опытов по определению разгрузочной характеристики смесителя, являющейся одним из его важнейших свойств, оп I ределяющих показатели технологической эффективности. Разгрузочная характеристика - это зависимость массы аккумулированного в смесителе сыпучего . материала М от производительности на выходе из него Q, которая в установившемся режиме равна производительности на входе, то есть M=f(Q). Заранее очевидно, что она зависит от скорости вращения рамки с лопастями, их размеров и формы, а также от физико-механических свойств транспортируемого материала или смеси.
Эксперименты выполнялись следующим образом. С помощью системы управления процессом устанавливались производительности подачи из каждого из бункеров и скорость вращения лопастей. В зависимости от того, какой материал или смесь исследовались, бункеры предварительно заполнялись одинаковыми или разными материалами (система автоматики запрещает работу установки только с одним бункером). Затем установка включалась, и периодически весовым способом контролировалась производительность на выходе из смесителя, для чего определялся вес материала, выходящий из, смесителя за 1мин. Поскольку на электронных весах была возможность установить нуль в любой момент времени, эти замеры выполнялись легко. Когда производительности на входе и выходе сравнивались, считалось, что переходный процесс закончился. После этого подача материалов в смеситель мгновенно прекращалась, а выходящий из него материал одновременно направлялся в отдельную емкость, куда эвакуировался из смесителя сначала вращающимися лопастями, а в конце -специальной щеткой.
Суммарная производительность подачи варьировалась от 40 кг/ч до 100 кг/ч. Скорость вращения лопастей менялась от 15 до 60 об/мин. При увеличе-нии скорости вращения поведение материала в смесителе существенно меняется. На рис.3.5 показаны фотографии процесса при 15 и 60 об/мин.
В первом случае движение имеет квазистатический характер, во втором оно ближе к состоянию механического псевдоожижения. При этом, конечно, повы- шается интенсивность перемешивания. Однако ограничивающим фактором является опасность интенсивного измельчения многих материалов на высоких скоростях, которое чаще всего является нежелательным побочным эффектом. В частности, для использованных в опытах кускуса и манной крупы работа при 60 об/мин еще не приводила к образованию их пыли, но переход на 100 об/мин уже сопровождался ее интенсивным образованием. Именно эти соображения и привели к ограничению скорости вращения верхним пределом 60 об/мин. Исследования выполнялись для двух типов лопастных аппаратов: с наклонными и прямыми лопастями (рис.3.6). Ожидалось, что наклонные лопасти приве-, дут к поперечной неоднородности потока, так как в ометаемой ими зоне материал будет двигаться с повышенной скоростью. Для прямых лопастей, наоборот, поперечной неоднородности не ожидалось и считалось, что они производят при одинаковой скорости вращения примерно такое же поперечное перемешивание, но на продольное движение не влияют.
На рис.3.7-3.9 показаны полученные разгрузочные характеристики смесителя с наклонными лопастями для разных материалов. На верхних графиках показаны их семейства для различных скоростей вращения. Все линии имеют характерный излом в районе загрузки около 0,9 кг, как раз соответствующей верхней границе зоны, ометаемой лопастями. Естественно, что при Q— 0 М— 0, то есть (0,0) также является характерной точной этой кусочно-линейной зависимости. Таким образом, для ее построения достаточно двух опытных точек. Оказалось, что если использовать в качестве аргумента этой зависимости не Q, a Q/n0 15, то все зависимости с хорошей точностью стягиваются в одну линию (нижние графики на рисунках), которая покрывает все семейство для разных п. Из этих графиков легко получить зависимость M(Q) для любой скорости вращения, естественно, из исследованного диапазона.
Разработка технических мероприятий по подавлению негативного влияния сегрегации
Сегрегация неоднородных компонентов при смешивании всегда сопутствует процессу и препятствует получению однородных смесей, достижение которых даже теоретически при наличии сегрегации невозможно в принципе. Несмотря на то, что она может быть вызвана многими причинами, определяющими причинами являются разница в размерах и плотности частиц компонентов, в результате чего сила веса действует на них по-разному и приводит к расслоению. Поэтому одним из возможных путей подавления негативного влияния сегрегации является устранение силы веса. Это может быть достигнуто наложением і противоположной весу массовой силы, например, силы инерции. Реализация такого подхода может быть достигнута в аппарате, схематично показанном на рис.4.4.
Смеситель состоит из рабочего барабана 1 с размещенным на нем коаксиально электродвигателем 2, на оси которого установлен дебаланс 3. К корпусу жестко присоединена тяга 4, нижний конец которой установлен в неподвижном шарнире 6 и по бокам которой размещены пружины 5, опирающиеся другими краями на неподвижное основание.
Перемешиваемые сыпучие компоненты загружают в рабочий барабан 1 и включают электродвигатель 2, который приводит во вращение установленный на его оси дебаланс 3, возбуждающий угловые колебания тяги 4 с пружинами 5 вокруг шарнира 6. Частота колебаний тяги и барабана равна частоте колебаний вынуждающей силы, то есть частоте вращения электродвигателя. При таких колебаниях барабана на тяге на перемешивающие компоненты действует сила тяжести, направленная вниз и характеризуемая ускорением g, и силы инерции: тангенциальная, периодически меняющая направление и характеризуемая тангенциальным ускорением а и центробежная, всегда направленная вверх и характеризуемая нормальным ускорением ап.
При законе угловых колебаний тяги и барабана
его среднее значение равно нулю и в перемешивающей среде нет силы, имеющей преимущественное направление, то есть силы, вызывающей сегрегацию компонентов.
Нормальное ускорение всегда направлено от оси вращения (колебаний), но в силу малости угловой амплитуды колебаний ф0 можно считать, что оно направлено вверх. Это ускорение меняется по закону а его среднее значение равно правлении равно и при произвольных характеристиках колебаний может быть направлено как вниз, так и вверх, то есть присутствует сила, имеющая преимущественное направление и вызывающая сегрегацию компонентов при смешивании. Однако эта сила будет равна нулю, если чему соответствует следующая связь между величинами, характеризующими конструктивные и режимные характеристики смесителя
При такой, и только при такой, связи в вертикальном направлении будет действовать только периодически меняющая направление сила, приводящая к перемешиванию, и не будет действовать сила, среднее значение которой не равно нулю, приводящая к сегрегации смешиваемых компонентов. При неограниченном времени перемешивания достигается равномерной распределение компонентов смеси по ее объему, а при ограниченном — достигается лучшее качество смеси. Если качество смеси (ее неоднородность) задано, то в предлагаемом смесителе оно достигается за меньшее время, то есть увеличивается производительность смесителя. На конструкцию смесителя получено положительное решение о выдаче патента [192].
Другим направлением подавления негативного влияния сегрегации при смешивании является распределенная подача сегрегирующего компонента в рабочий объем смесителя. При локализованной подаче компонента, склонного к сегрегации вниз, в верхнюю часть смесителя, он проходит в нижнюю часть смеси. При этом по мере его прохождения в определенный момент времени формируется его максимально однородное распределение, отличное от равномерного. При периодическом смешивании в этот момент следует остановить процесс, поскольку в дальнейшем неравномерность смеси вновь будет нарастать. При подаче сегрегирующего компонента на вход достаточно длинного смесителя непрерывного действия в зоне выхода наблюдается его повышенная концентрация в нижней части рабочего объема, то есть образуется его поперечная неоднородность. При выходе из смесителя потока перестраивается, но эта неоднородность может, частично изменяясь, остаться и в выгруженном материале. Для оценки степени поперечной неоднородности концентрации сегрегирующего компонента были выполнены расчеты по разработанной в главе 2 модели для двухмерной сетки ячеек размером 10x14 с его подачей в левую верхнюю ячейку. Распределение его относительного содержания при выходе показано на рис.4.5 слева, где видно его повышенное содержание в нижней части. Среднеквадратичное отклонение распределения концентрации составляет 0,022.
