Введение к работе
Актуальность проблемы. Смешивание сыпучих материалов широко применяется в различных отраслях химической технологии, энергетической промышленности, в агропромышленном комплексе, строительстве и многих других. При этом задача приготовления однородных по составу смесей связана с целым рядом трудностей, таких как широкий спектр изменения физико-механических свойств перерабатываемых материалов, требования, предъявляемые к качеству и составу продукта, производительности, энерго- и металлоемкости и т.д.
Задачи повышения эффективности устройств, используемых при приготовлении сыпучих смесей, склонных к адгезии и агломерированию, сегрегации по физико-механическим свойствам частиц (размерам, плотности и другим), отличающихся большим соотношением объемов компонентов (1:10 и более) обусловливают необходимость постоянного совершенствования известных типов смесительного оборудования и создания новых.
Практика показывает, что наиболее эффективные методы создания нового оборудования должны основываться на системном подходе, предполагающем взаимообусловленность и взаимодействие всех уровней исследования и разработки. Необходимо проведение исследований на нескольких уровнях: разработки принципиальной схемы смесительного устройства, обеспечения адекватного математического описания процессов смешивания, реализуемых в этих устройствах, совершенствования методов и техники экспериментальных исследований, разработки методов его расчета.
Представленная диссертация, связана с разработкой теоретических основ создания смесительного оборудования, качественный рост эффективности которого определяется использованием в его структуре эластичных рабочих элементов. Она выполнялась в соответствии с планами НИР ЯГТУ в том числе:
- По инновационным программам: «Разработка научных основ и опытных образцов оборудования для компактирования сыпучих материалов применительно к производству органо-минеральных удобрений». ГРНТИ 01.13.23 ИНГП «Нефтехим». Гос. регистр. 01.9.90 000855; «Разработка новой технологии получения органо-минеральных удобрений. ИНГП «Поддержка малого предпринимательства и новых экономических структур в науке и научном обслуживании высшей школы». Гос. регистр. 01.9.80 004598; «Разработка новой линии для приготовления торфоминеральных смесей (питательных грунтов) и их упаковка. ИНГП «Поддержка малого предпринимательства и новых экономических структур в науке и научном обслуживании высшей школь». Гос. регистр. 01.20.00 01633.
- Грант Губернатора Ярославской области: Разработка, теоретическое обоснование и освоение новых технологий и оборудования для компактирования сыпучих материалов на предприятиях химического и агропромышленного профиля Ярославской области. ГРНТИ 55.39.31; 55.57.59. Гос. регистр. 01.2.00 103993, 1999.
- Единый заказ-наряд Госкомвуза РФ по направлениям: «Механика твердых
и деформируемых материалов в химических технологиях; основы теории и автоматизированные системы управления в процессах деформирования и разрушения». ГРНТИ 61.13.23. Гос. регистр. 01.9.80 004355, 2000 и «Разработка нелинейных стохастических моделей в механике деформирования и комплексной переработки твердых, упруго-вязкопластичных и дисперсных сред с организацией управления процессами силового воздействия». ГРНТИ 30.03.15. Гос. регистр. 01.2.00 102402. (01.01.2001 – 31.12.2005).
- По заданию Федерального агентства по образованию: «Исследование механики поведения тонкодисперсных сред (наносистемы) с высоким газосодержанием при деаэрации и смешении. Фундаментальное исследование». «Теоретическое исследование процесса смешения тонкодисперсных порошков» ГРНТИ 30.03.15, 30.51.29. Гос. регистр. 0120.0 604211(01.01.2006 – 31.12.2007).
«Исследование механики поведения порошкообразных материалов в процессах их смешения и деаэрации. Фундаментальное исследование». «Теоретическое исследование процесса уплотнения (деаэрации) тонкодисперсных порошков под действием различных силовых факторов на рабочих органах деаэраторов». ГРНТИ 30.03.15, 30.51.29. Гос. регистр. 0120.0 852841(с 01.01.2008).
Цель и задачи исследования. Цель работы - создание нового класса высокоэффективных аппаратов для смешивания сыпучих материалов и способов приготовления смесей на основе теоретических и экспериментальных исследований происходящих в них процессов. В качестве основного метода исследования используется системный подход. В работе решаются задачи:
- создания методологии проектирования нового класса смесительного оборудования на основе преобразования его структуры при включении в неё гибких эластичных рабочих элементов (ЭРЭ);
- реализации функциональных возможностей, возникающих при применении в структуре смесительного устройства ЭРЭ, в новых конструкциях смесителей;
- создания математических моделей, адекватно описывающих процессы смешивания сыпучих материалов, происходящие в новых устройствах;
- исследования влияний параметров процессов и устройств на качество получаемых сыпучих смесей;
- разработки эффективных методов исследования смесительного оборудования и качества получаемых в нем составов, а также новых способов смешивания и критериев оценки качества смесей.
Научная новизна работы:
1. Предложена методология формирования принципиальной схемы смесительного устройства, основанная на системном подходе и использовании метода эвристических приемов её преобразований.
2. Разработан новый класс смесительных аппаратов, качественный рост эффективности которых определяется использованием в его структуре эластичных рабочих элементов.
3. На основе системно-структурного подхода к исследуемой системе разработаны математические модели процессов смешивания в устройствах гравитационно-пересыпного действия без дополнительных перемешивающих элементов как со стационарной, так и с изменяющейся при работе смесителя формой рабочей поверхности. Эти модели позволили в явном виде найти критерий однородности смеси как функцию безразмерного комплекса, содержащего параметры процесса, смеси и устройства.
4. Предложено математическое описание процессов смешивания сыпучих материалов в смесителе открытого типа с вращающейся цилиндрической поверхностью и - с дополнительными перемешивающими устройствами, основанное на применении транспортного уравнения, уравнения сохранения объема и условии связи, определяющем процесс перехода частиц в поток транспортирования.
5. Установлены основные механизмы роторно-струйного смешивания: порционного, связанного с воздействием эластичных рабочих элементов и – диффузионного смешивания частиц при их рассеянии в потоке.
6. Разработана стохастическая модель роторно-струйного смешивания, основанная на описании указанных механизмов с помощью суперпозиции простых кусочно-линейных распределений и нормального распределения.
7. Разработан бесконтактный метод оценки объёмной однородности смеси по распределению частиц в плоском сечении, перпендикулярном оси её однородности.
8. Предложен критерий оценки качества смеси, позволяющий сохранить информацию о ее структуре одновременно на микроскопических и на макроскопических масштабах (порядка размеров рабочего объема).
9. Выявлены эффекты: снижения качества смеси, получаемой в роторно- струйном смесителе в зонах, наиболее удаленных от оси его симметрии, связанный с усилением сегрегации частиц вне области их взаимодействия в потоке. Экспериментально установлен ряд эффектов влияния на качество смеси, получаемой в смесителе с волнообразным движением рабочей ленты: экстремальное влияние амплитуды волны, снижения качества смеси при увеличении в ней доли крупной фракции.
10. Разработан и теоретически обоснован новый способ «быстрого» смешивания сыпучих материалов в ленточном устройстве открытого типа.
Практическая ценность результатов работы:
-
Методология формирования принципиальной схемы смесительного аппарата, позволившая разработать новый класс смесителей.
-
Новые конструкции смесителей сыпучих материалов и способы приготовления смесей, защищенные авторскими свидетельствами СССР и патентами РФ.
-
Вероятностные модели процессов смешивания сыпучих материалов, являющиеся основой создания теоретически обоснованных методов расчета смесительного оборудования.
-
Бесконтактный метод исследования качества смесей, позволяющий существенно сократить время исследований, повысить точность оценок, а также
новый спектральный критерий оценки качества смеси.
-
Инженерные методы расчета смесителей, включающие элементы параметрической оптимизации.
-
Результаты экспериментальных исследований качества смесей.
-
Агрегаты, в состав которых включены разработанные в ходе исследований смесительные устройства с эластичными рабочими элементами, прошедшие апробацию в производстве.
-
Автор защищает
-
Методологию формирования принципиальной схемы смесительного устройства, основанную на системном подходе.
-
Новые конструкции смесителей с эластичными рабочими элементами.
-
Вероятностные математические модели процессов смешивания в устройствах гравитационно-пересыпного действия без дополнительных перемешивающих элементов со стационарной и с изменяющейся (при работе смесителя) формой рабочей поверхности.
-
Транспортную математическую модель процесса смешивания сыпучих материалов в смесителе открытого типа с вращающейся цилиндрической поверхностью и с дополнительными перемешивающими устройствами.
-
Суперпозиционную стохастическую модель роторно-струйного смешивания, основанную на описании процесса смешивания сыпучих материалов в роторно-струйных смесителях с помощью простых кусочно-линейных распределений и нормального распределения.
-
Бесконтактный метод оценки однородности смеси по распределению частиц в плоском сечении, перпендикулярном оси её однородности и новый критерий оценки качества смеси.
-
Инженерные методы расчета основных параметров ленточных смесителей и роторно-струйных аппаратов с эластичными распыливающими элементами.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных и Российских научных конференциях: 11 международной научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении», Пенза, декабрь 2007;
международной конференции конференции «Математические методы в химии и химической технологии». ММХ-9.Тверь.1995; 14-th International Congress of Chemical and Process Engineering, CHISA-2000, Praga, 2000; 5 международная научная конференция “Теоретические и экспериментальные основы создания новых высокоэффективных химико-технологических процессов и оборудования”.-Иваново. 2001; Междунар. научн. конф. “Теоретические основы создания оптимизации и управления энерго- и ресурсосберегающими процессами и оборудованием”, Иваново, 2007; ILASS – EUROPE’99, Toulouse 5 - 7 July 1999; шестой Всесоюзной конференции «Роль молодых конструкторов и исследователей химического машиностроения».- Зеленогорск, 1988; Всесоюзной конференции «Технология сыпучих
материалов», Ярославль, 1990; ХХ международной конференции «Математические методы в технике и технологиях».- Ярославль.- 2007.- С.122 -124. Основные положения диссертации доложены на выездном заседании Головного Совета «Машиностроение» (Ярославль, 17 октября 2001г.)
Публикации. Основные результаты исследований освещены в 61 научных трудах автора, в том числе в 13 изданиях по списку ВАК, 2 монографиях, 20 авторских свидетельствах и патентах, в материалах 13 международных, всесоюзных и всероссийских конференций, 4 депонированных рукописях.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов, списка использованных источников из 261 наименований и приложений, изложена на 270 страницах, содержит 102 рисунка и 8 таблиц.
