Разработка новой конструкции непрерывнодействующего смесительного агрегата вибрационного типа для получения комбинированных продуктов
На правах рукописи
РЫНЗА ОЛЕГ ПЕТРОВИЧ РАЗРАБОТКА НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ НЕПРЕРЫВНОДЕЙСТВУЮЩЕГО СМЕСИТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА ВИБРАЦИОННОГО ТИПА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОМБИНИРОВАННЫХ ПРОДУКТОВ Специальность: 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Кемерово – 2013
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образователь ном учреждении высшего профессионального образования «Кемеровский техно логический институт пищевой промышленности» (ФГБОУ ВПО КемТИПП) Научный руководитель Шушпанников Андрей Борисович, кандидат технических наук, доцент
Официальные оппоненты: Петрик Павел Трофимович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный техниче ский университет», заведующий кафедрой «Энергоресурсосберегающие процессы в хи мической и нефтегазовой технологиях» Руднев Сергей Дмитриевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО КемТИПП, заведующий кафедрой «Ма шины и аппараты пищевых производств»
Ведущая организация: Государственное научное учреждение Сибирский научно-исследовательский инсти тут переработки сельскохозяйственной про дукции Россельхозакадемии, Новосибирская область, п. Краснообск
Защита состоится «25» октября 2013 года в 13:00 ч на заседании диссерта ционного совета Д 212.089.02 при ФГБОУ ВПО «КемТИПП» по адресу:
650056, г. Кемерово, бульвар Строителей, 47.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Кем ТИПП», с авторефератом – на официальном сайте ВАК Минобрнауки РФ (http://vak.ed.gov.ru/ru/dissertation) и сайте «КемТИПП» (http://www.kemtipp.ru).
Автореферат разослан «_» сентября 2013 г.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 650056, г. Кемерово, бульвар Строителей, 47, ФГБОУ ВПО «КемТИПП». Тел/факс 8(384-2) 73-23-27.
Ученый секретарь диссертационного совета Гореликова Галина Анатольевна
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Одним из важных факторов, определяющих здо ровье человека, является питание со сбалансированным рационом, которое обеспечивает нормальное развитие организма и способствует профилактике за болеваний. Для удовлетворения потребности населения в здоровой пище пред приятия пищевой промышленности начинают специализироваться на выпуске полуфабрикатов в виде сухих сыпучих композиций, обогащенных витаминами и биологически активными веществами. С увеличением объема их производст ва порошкообразные материалы целесообразно смешивать в агрегатах непре рывного действия, созданных на базе вибрационных смесителей. Мы обосно ванно считаем, что наилучшим образом для этого подходят винтовые верти кальные вибрационные смесители непрерывного действия (СНД), которые обеспечивают возможность переработки дисперсных сред с широким спектром физико-механических свойств. В смесителях реализован перспективный способ переработки сыпучих материалов в тонких слоях (20-50 мм) за счет развитого рабочего органа интенсивно виброактивирующего дисперсную систему, что при небольших габаритах аппарата и потребляемой мощности позволяет суще ственно сократить время смешивания. Фактически оно определяется отношени ем протяженности лотка к скорости транспортирования материала и в боль шинстве случаев не превышает двух минут. А за счет хорошей их сглаживаю щей способности они могут хорошо работать совместно с дозаторами объемно го типа. Поэтому разработка новых конструкций агрегатов, включающих вин товые вертикальные вибрационные смесители непрерывного действия для пе реработки сыпучих материалов, а также создание теоретических положений и методики их расчета, является актуальной научной задачей, представляющей большое народно-хозяйственное значение для пищевой и других отраслей про мышленности.
Научной базой исследований в данной области явились работы Ю.И.
Макарова, Ф.Г. Ахмадиева, В.Н. Иванца, Г.Е. Иванец, Б.А. Федосенкова, И.А.
Бакина и ряда других ученых.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с научными направлениями ФГБОУ ВПО Кемеровский технологический институт пищевой промышленности и грантом Минобрнауки.
Цель работы. Разработка новой конструкции смесеприготовительного аг регата непрерывного действия вибрационного типа для получения комбиниро ванных продуктов на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Задачи исследований:
Создать новые конструкции винтовых смесителей непрерывного действия вибрационного типа с направленной организацией движения материальных потоков и дозатора объемного типа для их работы в составе смесепригото вительного агрегата;
Провести исследование влияния различных факторов на процесс смесе приготовления сыпучих материалов в новой конструкции вибрационного смесителя непрерывного действия;
Создать математическое описание процесса смешивания сыпучих мате риалов в винтовых вибрационных смесителях с помощью корреляционного анализа и моделей усреднения, позволяющее оценить способность смесите лем сглаживать флуктуации расходов ингредиентов;
Разработать математическое описание процесса смешивания сыпучих ма териалов в агрегатах непрерывного действия вибрационного типа с исполь зованием элементов теории автоматического управления Сформировать алгоритм расчета рациональных конструктивных парамет ров разрабатываемого смесителя и агрегата в целом;
Разработать аппаратурное оформление стадии смешивания сухой компо зиции в производстве сахарного печенья с использованием новой конструк ции СНД вибрационного типа.
Научная новизна. Создана математическая модель непрерывно дейст вующего смесеприготовительного агрегата вибрационного типа, позволяющая в диалоговом режиме анализировать возможность получения сыпучих компо зиций заданного качества с учетом сглаживающих свойств смесителя.
Проведен корреляционный анализ влияния различных контуров рецикла на однородность смеси в СНД. Установлены рациональные диапазоны значений коэффициентов рециркуляции и числа витков аппарата. Исследовано влияние режимных и геометрических параметров работы смесителя с направленной ор ганизацией движения материалопотоков на качество смешивания мучных ком позиций. Предложен алгоритм расчета смесителя вибрационного типа, с учетом структуры движения материалопотоков в нем, и агрегата в целом.
Практическая значимость.На основе результатов теоретических и экспе риментальных исследований процесса вибрационного смешивания сыпучих ма териалов разработаны новая конструкция винтового СНД вибрационного типа и сетчатого дозатора.
При непосредственном участии автора разработано аппаратурное оформ ление стадии непрерывного смешивания для производства сахарного печенья в холдинге «Алтайские закрома», г. Барнаул. Проведены успешные опытно промышленные испытания новой конструкции СНД вибрационного типа.
Материалы диссертационной работы применяются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров на кафедре «Процессы и аппараты пищевых производств» ФГБОУ ВПО КемТИПП при дипломном и курсовом проектиро вании.
Автор защищает:
Математическое описание процесса смешивания с использованием кор реляционного анализа, моделей усреднения и кибернетического подхода в непрерывно-действующих смесительных агрегатах вибрационного типа для получения сухих сыпучих смесей;
Результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса смешивания мучных композиций в винтовом смесителе с учетом влияния режимных и конструктивных параметров;
Новые конструкции винтового вертикального вибрационного смесителя непрерывного действия и сетчатого дозатора.
Апробация работы. Основные положения, изложенные в диссертацион ной работе, были представлены и обсуждены на ежегодных конференциях Ке меровского технологического института пищевой промышленности (2008 – 2012). На II и III Всероссийских конференций студентов и аспирантов: «Пище вые продукты и здоровье человека».
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ, в том чис ле 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК. Получен патент на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация включает в свой состав введения, четыре главы, основные результаты и выводы, список литературы и приложения;
включает 53 рисунка и 35 таблиц. Основной текст изложен на странницах машинописного текста, приложения - на 15 страницах. Список ли тературы включает 120 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность и сформулирована цель работы, приведена ее общая характеристика.
В первой главе сделан анализ научно-технической и патентной литерату ры по вопросам, связанным с повышением эффективности процесса смесеобра зования в аппаратах непрерывного действия. Приведено обоснование выбора в качестве объекта исследования вертикального вибрационного смесителя непре рывного действия с рециркуляцией. Обоснованы математические подходы, ис пользуемые в диссертационной работе для описания процесса непрерывного смесеприготовления сыпучих материалов.
Во второй главе проведен теоретический анализ влияния топологии мате риальных потоков в новой конструкции вертикального вибрационного смеси теля непрерывного действия на однородность смеси, выполненного на основе известного подхода с использованием корреляционных функций.
Предлагаемая нами топологическая схема (рисунок 1) уникальна тем, что она позволяет реализовать метод «последовательного разбавления», и тем са мым расширить соотношение перерабатываемых компонентов. В ней поток ос новного компонента предварительно разбит на две части. Одна из них поступа ет на первый виток (рисунок 3) первого захода двухзаходной лопасти (ячейка 1.1), где она смешивается с ключевым компонентом, а вторая – на первый виток второго захода (ячейка 1.2). Дисперсная фаза, двигаясь под действием направ ленной вибрации вниз по лопасти и просыпаясь через перфорацию с витка на виток, перемешивается. Массовые расходы этих потоков обозначены как Хi(1 i) и iХi. Затем, с двухзаходного винтового рабочего органа поток сыпучего ма териала попадает на внешний винтовой перфорированный лоток. Одна часть потока сыпучего материала iХi просеивается через перфорацию, а другая Хi(1 i) движется по витку, образуя контур «внутренней» рециркуляции. Кроме то го, у выходного патрубка на верхнем витке расположен отсекатель, с помощью которого часть потока возвращается на верхний виток внутреннего рабочего органа, создавая контур «внешнего» рецикла xi.
В качестве примера разберем схему движения материальных потоков в но вом оригинальном СНД вибрационного типа (рисунок 1), состоящего из шести наружных лотков, и внутренней лопасти, состоящей из четырех двухзаходных витков.
Рисунок 1 - Схема движения материальных потоков в СНД Введем обозначения:
Х0(t) - расход дисперсной фазы, поступающей в смеситель;
ХВ(t) - расход дис персной фазы, вышедшей из смесителя;
Хi(t) - расход дисперсной фазы, сошед шей с i-го витка внутреннего рабочего органа, i=1, 2, …, n;
Хki(t) - расход дис персной фазы, сошедшей с i-го лотка внешнего рабочего органа i=1, 2, …, n;
Х0В(t) - расход дисперсной фазы, поступающей с нижнего неперфорированного витка внутреннего рабочего органа на нижний внешний неперфорированный лоток;
- рециркулирующая часть потока материала, выходящего с i-го лотка внешнего рабочего органа («внутренний» рецикл), 0 ki1, i=1…n;
- рецир кулирующая часть потока материала, выходящего с i-го витка внутреннего ра бочего органа;
- рециркулирующая часть потока материала, выходящего с n го витка («внешний» рецикл), 01.
Процесс движения материальных потоков представлен следующей извест ной системой уравнений.
(t ) X (t ) X n (t ) X 1.1в (t ) 1 n X (t ) X X (t ) 1.2в 0 1.1 1.1в X ij (t ) (t ) (1 ) X X (t ) ij 1 ij1 ij 1 ij X (t ) X (t ) X (t ) 0в 4 3. X 5н (t ) X (t ) 5н X 5н (t ) 0в X (t ) (1 ) X (t ) X (t ) 6н 5н 5н 6н 6н X iн (t ) (1 (t ) iн X iн (t ) ) X iн1 iн X n (t ) (1 ) X (t ) n1 n (1) X в (t ) (1 ) X n (t ) Считаем, что взаимная корреляция потоков равна нулю, т.е. отсутствует Кx i x j 0 при ij. Рассмотрим влияние процесса разделения потоков материа лов на однородность смеси во времени (будем пологать, что процесс усредне ния равен нулю). Примем для рассмотрения i=1,2,…,10.
Кx1.1в ( ) n Кх0 ( ) 2 Кx10 н ( ) Кx1.2в ( ) (1 n) 2 Кx0 () 1.1 Кх1.1в Кx2.1в () (1 1.1 ) 2 Кx1.1в () 1.2 Кх1.2в Кx2.2в ( ) (1 1.2 )2 Кx1.2в () 2.1 Kx2.1в 2 Кx 2 Кх 2.2в Кx3.1в ( ) (1 2.1) 2.1в () 2. Кx3.2в ( ) (1 2.2 ) 2 Кx2.2в () 2.1 Kx3.1в 2 Кх 2 Кx 3.2в Кx4.1в ( ) 1 3.1 3.1в () 3. Кx4.2в ( ) 1 3.2 2 Кx3.2в () 2.1 Кx4.1в ( ) Кxов ( ) Кx4.1в () Кx4.2в ( ) Кx5 н ( ) Кxов () 5 Кx5 н ( ) (2) Кx6 н () (1 5 ) 2 Кx5н () 6 Кx6 н ( ) Кx7 н ( ) (1 6 ) 2 Кx6 н () 7 Кx7 н ( ) Кх8 н (1 7 ) 2 Кх7 н 2 Кх8 н 2 Кх 2 Кх () Кх9 н (1 8 ) 8н 9 9н 2 Кx () Кx10 н () (1 9 ) 2 Кx ( ) Кxв ( ) (1 ) Решая систему уравнений (2) относительно Кx в ( ) получим:
n 1 n К Х 0 1 1.1 1 1.2 1 2.1 1 2.2 1 3. 2 2 2 2 2 К ХВ 1 5 1 6 1 7 1 82 1 2 2 2 (3) 1 3.2 2 1 4.1 2 1 4.2 1 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 2 2 2 Преобразуем выражение (3), с учетом, что Kx 0 (0) 2 0 и Kx В (0) 2, Х ХВ получим:
n 1 n 2 Х 0 1 1.1 1 1.2 1 2.1 1 2.2 1 3. 2 2 2 2 2 ХВ 1 52 1 62 1 72 1 82 1 (4) 1 3.2 2 1 4.1 2 1 4.2 1 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 2 2 2 Значение степени сглаживания, оцениваемой по отношению дисперсий входящего и выходящего потоков, в смесителе зависит от величины коэффици ентов рециркуляции и.
n n 1 1 52 1 6 1 72 1 82 1 X0 2 S XВ ( 1.1 1 1.1 2 ( 12.2 1 1.2 2 ( 2.1 1 2.1 2 ( 2.2 1 2.2 2 2 (( 12.1 1 1.1 ( 12.2 1 1.2 ( 2.1 1 2.1 ( 2.2 1 2.2 ( 32.1 1 3. 2 2 2 2 2 (1 4.1 ( 4.2 1 4.2 1 2 2 3.1 (1 3.1 32.2 (1 3. 2 2 2 4. (5) 1 1 1 1 2 2 32.2 (1 3.2 (1 4.1 4.2 (1 4. 2 2 2 2 4. 1 5 6 7 1 6 1 7 1 8 1 2 2 2 1 9 2 ) 1 ) Для последующего расчета примем что i=, i = 5, 6, …, 10 и i=, i = 1.1, 1.2, …, 4. Расчет значений степени сглаживания на всем значимом интервале изме нения коэффициентов рециркуляции был проведен с помощью программы Microsoft Excel 2003. Сравнение результатов расчета схемы (рисунок 1), с ре зультатами, полученными для конструкций без «последовательного разбавле ния», показывает, что она обладает большей сглаживающей способностью. Т.е.
винтовая лопасть 9 (рисунок 3) позволяет работать смесителю при той же не равномерности дозирования с большими соотношениями ингредиентов. На пример, при коэффициенте опережения, изменяющимся в диапазоне от 0 до максимального значения 0,5, степень сглаживания увеличивается в 35 раз.
На втором этапе моделирования следует найти согласованные режимы ра боты дозирующего и смесительного оборудования. Для этого разработана ма тематическая модель агрегата с использованием кибернетического подхода с элементами теории автоматического управления.
Примем что основной компонент подается в смеситель дозатором Д1, а ключевой дозатором Д2, формирующими сигналами в виде гармонических ко лебаний. Возьмем уже известные сигналы дозаторов, после преобразования входных сигналов по Лапласу получим выражения в форме:
x Lx1t W 1S ;
x1 A S S x Lx2t W 2S 0 x 2 A S S Предположим, что СНД можно аппроксимировать апериодическим звеном 2-го порядка, передаточная функция (ПФ) которого имеет вид:
K e S Wc S (6) T12 S 2 T2 S где T1,Т2 – постоянные времени ВСНД;
К – коэффициент передачи (К=1);
- время чистого запаздывания;
S – переменная Лапласа.
ПФ смесительного агрегата будет выглядеть следующим образом:
K e S X n WCA S WCM S W i S ( (7) X1A 2 1 2 X 2 A 2 2 2 ) 2 T1 S T2 S S 1 S S i Модель может быть реализована в программно-прикладном пакете «Matсad».
Рисунок 2 - Схема сетчатого дозатора 1- загрузочный бункер;
2- ременная Рисунок 3 - Схема вибрационного сме передача;
3- опора;
4- сетка;
5- при- сителя жимное кольцо;
6- неподвижная дози- 1- загрузочный бункер;
2- впускное от рующая головка;
7- вращающаяся ло- верстие;
3- выпускное отверстия;
4 пасть;
8- подшипниковая опора;
9- уп- спиральный желоб;
5- выгрузочный пат лотнитель фторопластовый;
10- пла- рубок;
6- отсекатель;
7- днище;
8- внут стина;
11- втулка;
12- фиксирующая ренняя вставка;
9- двухзаходная ло гайка;
13- мешалка;
14-опора. пасть;
10- неподвижная заслонка.
В третьей главе представлено описание лабораторно-исследовательского стенда для смешивания сыпучих материалов и оборудования, входящего в его состав. Рассмотрены вопросы методического обеспечения экспериментальных исследований.
Разработаны новые конструкции сетчатого дозатора объемного типа и вибрационного смесителя с винтовым рабочим органом, в котором реализован метод «последовательного разбавления» (рисунки 2 и 3).
При проведении исследований процесса смешивания и дозирования ис пользовались порошкообразные и мелкозернистые материалы с различными физико-механическими характеристиками. Для интенсификации процесса про ведения экспериментальных исследований в качестве ключевого компонента использовался феромагнитный трассер. Регистрация концентрации трассера осуществлялась при помощи прибора, работа которого основана на измерении частоты колебаний индуктивно-емкостного контура.
Технической новизной смесителя является наличие в загрузочном бункере 1 двузаходной перфорированной спиральной лопасти 9, наклоненной в сторону движения материала и закрепленной на цилиндрической вставке 8.
В четвертой главе приводятся результаты исследований сетчатого доза тора, ВВВС по определению скорости вибротранспортирования и пропускной способности отверстий для углов вибрации равных 40 и 45, а также по влия нию его режимных параметров на качество получаемой смеси.
С помощью математической модели СА установлен диапазон изменения частот входных потоков, позволяющий достичь высоких степеней сглаживания их флуктуаций СНД вибрационного типа. Представлена методика инженерного расчета смесителя и смесительного агрегата в целом.
Главной особенностью сетчатого дозатора является конструкция его рабо чего органа. Он состоит из сетки, через которую проходит дозируемый матери ал, и неподвижной мешалки с регулированными выдвижными лопастями, по зволяющие менять зазор между ними и стенкой бункера. Значения погрешно сти заполнения каждой ячейки сетки, из-за большого их количества, усредня ются, и таким образом пульсации потока материала сглаживаются. Расширяю щийся книзу бункер препятствует слеживанию дисперсных порошков и образо ванию свода. А также, при воздействии рабочего органа на материал не проис ходит его уплотнения, и массовый расход остается равномерным. Данная кон струкция дозатора позволяет регулировать его производительность, не останав ливая процесс.
Ниже приведены результаты его исследований (рисунки 4 и 5).
Из результатов исследований следует, что на величину погрешности дози рования в большей степени влияет скорость вращения рабочего органа. Произ водительность дозатора изменяется в пределах: 0-1,27 кг/мин для муки пше ничной и от 0 до 1,406 кг/мин для молока сухого, он обладает относительно не большой погрешностью (максимальная для муки пшеничной составила 9,22 %, а для молока сухого – 5,26%).
Рисунок 4 - Зависимости погрешности дозирования сетчатого дозатора от времени отбора проб (для муки пшеничной) при разной частоте вращения рабочего органа Рисунок 5 - Зависимости производительности сетчатого дозатора от частоты вращения рабочего органа для муки и сухого молока По известным методикам были определены скорости вибротранспортиро вания и пропускной способности отверстий для углов вибрации равных 40 и 45. Анализ результатов экспериментов показал, что скорость вибротранспор тирования растет с увеличением частоты колебаний рабочего органа f. Что касается пропускной способности отверстий то с увеличением амплитуды виб рации и насыпной массы материала, она уменьшается. Это особенно заметно для отверстий большего диаметра (d=0,010м).
Нами были проведены эксперименты для проверки предложенного техни ческого решения смесителя по определению качества смеси в зависимости от конфигурации внутренней вставки, которая имела однозаходный и двузаходный винтовой рабочий орган.
В ходе экспериментов применялись следующие основные компоненты:
пшеничная мука, сахар-песок, сухое молоко и соль;
в качестве ключевого – феромагнитный порошок. Основной компонент подавался в СНД спиральным дозатором, с производительностью 0,7 м3/час, а ключевой порционным. Кон центрация в выходящем потоке, ключевого компонента, определялась с помо щью электронного частотомера. Частота вибрации СНД вибрационного типа была принята равной 19 Гц. Соотношение смешиваемых компонентов варьиро валось от 1:25 до 1:100. Качество смеси оценивалось с помощью коэффициента неоднородности Vc:
S Vc 100 % C, (8) S – выборочное среднее квадратическое отклонение содержания ключевого компонента в пробах, взятых из смеси;
С - выборочное среднее значение концентрации ключевого компонента в про бах. Значение коэффициентов неоднородности, в зависимости от конструкции внутреннего рабочего органа и соотношения смешиваемых компонентов при ведены в таблице 1.
Таблица 1. Значения коэффициента неоднородности от конструкции рабочего органа и соотношения компонентов VC, % Соотношение Внутренний вин Внутренний винто Основной компонент смешиваемых товой двузаход вой однозаходный компонентов в смеси ный рабочий орган рабочий орган 1:100 15,36 15, 1:75 13,17 13, Соль 1:50 9,76 9, 1:25 8,99 8, 1:100 15,79 15, 1:75 14,16 14, Сахар-песок 1:50 9,54 9, 1:25 7,32 7, 1:100 15,23 14, 1:75 12,54 12, Сухое молоко 1:50 9,71 9, 1:25 6,87 6, 1:100 14,24 13, 1:75 11,43 11, Пшеничная мука 1:50 8,89 8, 1:25 6, 52 6, Анализ таблицы 1 показывает, что наличие внутреннего винтового двузаходного рабочего органа, приводит к снижению коэффициента неоднородности (т.е. улучшению качества конечной смеси).
Проведен анализ динамических характеристик СА вибрационного типа.
Определены передаточные функции ВСНД с прямым и обратным рециклами.
На рисунке 7 показан отклики системы на входной сигнал блока дозаторов, по даваемый в СНД.
e 14. ПФ смесителя: W(S)= (9) 20S 2 12S Анализируя результаты можно сказать, что предлагаемая нами конст рукция СНД хорошо сглаживает пульсации питающих потоков.
Сравнительные результаты исследования сглаживающей способности вибрационного смесителя с установленной двузаходной наклонной лопастью в виде годографа представлены на рисунок 8. Анализируя его можно проследить, изменение степени сглаживания смесителя на разных частотах и определить значения частот работы дозаторов для обеспечения требуемых величин сглажи вания.
Рисунок 6 - Отклики системы на входной сигнал блока дозаторов, подаваемый в СНД с прямым рециклом.
По полученным ПФ построены амплитудно-частотные характеристики ВВСНД (рисунок 7).
При частоте виб рации смесителя 20 Гц При частоте вибра ции смесителя 18 Гц Рисунок 7 - Амплитудно-частотная характеристика СНД Рисунок 8 - Годограф смесителя вибрационного типа с двузаходной наклонной лопастью Для определения влияние режимных параметров вибрационного смеси тельного агрегата на качество получаемой смеси нами проведена серия экспе риментов. Получено уравнение регрессии, описывающее вид и степень влияния параметров вибрации на коэффициент неоднородности.
Vc =42,811-12885,6А-1,524+2,18810-6 А2+18,758А+0,0282 (10) По результатам проведённого эксперимента получена поверхность откли ка, которая показана на рисунке (10), позволяющая определить, например, при каких параметрах вибрационного процесса =2230 Гц и А=0,0025-0,0030 м, можно получить смеси с коэффициентом неоднородности Vс 5,1 %. Качество подобранной регрессии оценивалось по коэффициенту множественной корре ляции (R) и коэффициенту детерминации (R2).
Рисунок 9 - Зависимость качества смеси от параметров вибрации Величина коэффициента R для полученного уравнения равна 0,92 (А,f), а R =0,89463. Это значит, что построенная регрессия объясняет более 89% раз броса значений относительно среднего. Значения критерия Фишера (Fрасчетное и Fтабличное) для уровня значимости p = 0.05 будут равны: Fрасч.=2.1, Fтабл. = 2,5. Если Fрасч Fтаб, то гипотеза об адекватности не отвергается.
Предложен алгоритм расчета рациональных конструктивных параметров разрабатываемого СНД вибрационного типа и агрегата в целом.
Проведены успешные опытно-промышленные испытания новой конструк ции СНД вибрационного типа и разработано аппаратурное оформление стадии непрерывного смешивания в производстве сахарного печенья в холдинге «Ал тайские закрома», г. Барнаул ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ 1) Для непрерывного приготовления композиций из сыпучих материалов целесообразно использовать подъемные вертикальные винтовые вибра ционные смесители, в которых процесс проходит в тонких виброкипящих слоях (10-50 мм), а также организовано направленное движение матери альных потоков. Поэтому они характеризуются небольшими энергозатра тами и хорошо сглаживают погрешности в работе дозирующих уст ройств. В связи с этим, разработаны новые конструкции винтового СНД и сетчатого дозатора объемного типа, предназначенные для работы в соста ве смесеприготовительного агрегата.
2) Выполнен теоретический анализ нескольких конструкций винтовых сме сителей непрерывного действия (СНД) вибрационного типа с различной топологией материальных потоков, когда в качестве параметров случай ного стационарного процесса были использованы корреляционные функ ции. Выявлено, что созданный нами смеситель, при равной сглаживаю щей способности, имеет меньшие габариты по сравнению с прототипом и позволяет увеличить соотношение смешиваемых компонентов. Для де тального анализа процесса разработана математическая модель смесителя с учетом, протекающих в аппарате процессов усреднения, которая может быть реализована с помощью методов численного моделирования.
3) На основе кибернетического подхода разработана математическая модель смесительного агрегата, включающего в свой состав блок дозирующих устройств и винтовой СНД вибрационного типа, позволяющая прогнози ровать качество готовой смеси и подбирать рациональные режимы рабо ты смесителя и дозаторов. Проведен частотно-временной анализ модели, который показал, что разработанный нами СНД обеспечивает хорошее сглаживание флуктуаций входных потоков. С помощью него также опре делены значения коэффициентов сглаживания в вибрационном СНД с ре циклами. Проведена оценка достоверности этих результатов путем срав нения их с экспериментальными данными, которое дает удовлетвори тельное совпадение значений.
4) Проведено исследование влияния режимных параметров сетчатого доза тора на его производительность и погрешность дозирования. Выявлено, что с увеличением частоты вращения сетчатой тарели, его производи тельность растёт, а погрешность дозирования падает. В целом, этим ти пом дозаторов можно комплектовать смесепрготовительные агрегаты.
5) Проведены исследования по определению скорости движения различных материалов по рабочему органу винтовых смесителей и их расходов через вибрирующие отверстия рабочего органа аппарата, оказывающих наи большее влияние на их производительность и условия смешивания. Ис следовано влияние амплитуды и частоты вибрации на однородность по лучаемых композиций. Установлено, что лучшее качество достигается в диапазонах 0,0025-0,0045м и f=18-20Гц. Установлено что рассматривае мый вибрационный смеситель отличается сравнительно небольшими энер гозатратами, составляющими в среднем 0,43 квт ч/м3.
6) Предложена инженерная методика расчета вибрационных СНД с различ ной топологией материальных потоков в них, учитывающая физико механические характеристики смешиваемых материалов и частотный ре жим работы дозирующих устройств. Результаты исследований использо ваны при разработке аппаратурного оформления стадии смешивания в технологической схеме производства сахарного печенья в холдинге «Ал тайские закрома» г. Барнаул.
ПЕРЕЧЕНЬ ПУБЛИКАЦИЙ Статьи в журналах, рекомендованных ВАК 1. Шушпанников, А.Б. Оценка инерционных свойств вертикально вибрационных смесителей / А.Г. Золин, О.П. Рынза, С.В. Злобин // Техника и технология пищевых производств. – 2010.- № 1. – С. 18-20.
2. Шушпанников, А.Б. Основные направления при разработке непрерывно действующих смесеприготовительных агрегатов / А.Б. Шушпанников, Б.А. Фе досенков, В.П. Дороганов, О.П. Рынза // Техника и технология пищевых про изводств.-2010.- № 3. – С. 135-141.
Работы, опубликованные в материалах всероссийских конференций 3. Рынза, О.П. Сетчатый дозатор / О.П. Рынза, Н.А. Суркова, С.В. Злобин // Пищевые продукты и здоровье человека: Материалы II Всероссийской кон ференции студентов и аспирантов. В 3-х частях. Часть 2. – 2009. – С. 119-120.
4. Суркова Н.А. Исследование сетчатого дозатора / Н.А. Суркова, О.П.
Рынза, С.В. Злобин // Пищевые продукты и здоровье человека: Материалы II Всероссийской конференции студентов и аспирантов. В 3-х частях. Часть 2. – 2009. – С. 121-122.
5. Злобин, С.В. Расчет привода вертикально-вибрационных смесителей / С.В. Злобин, О.П. Рынза, Н.А. Суркова // Пищевые продукты и здоровье чело века: Материалы II Всероссийской конференции студентов и аспирантов. В 3-х частях. Часть 2. – 2009. – С. 106.
6. Рынза О.П. Разработка динамических моделей технических систем и программные средства для их реализации / О.П. Рынза // Пищевые продукты и здоровье человека: Материалы II Всероссийской конференции студентов и ас пирантов. В 3-х частях. Часть 3. – 2009. – С.44.
7. Злобин, С.В. Исследование вертикально-вибрационного смесителя / С.В.
Злобин, О.П. Рынза // Пищевые продукты и здоровье человека: Материалы III Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. – 2010.
– С. 294-295.
8. Рынза О.П. Результаты определения пропускной способности вибри рующих отверстий / О.П. Рынза, С.В. Злобин // Пищевые продукты и здоровье человека: Материалы III Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. – 2010. – С. 316-317.
Патент на изобретение 9. Пат. 2488435 РФ, МПК B01F 11/00. Вибрационный смеситель / А.Б.
Шушпанников, А.Н. Потапов, С.В. Злобин, О.П. Рынза;
заявитель и патенто обладатель ФГБОУ ВПО КемТИПП (Ru). – № 2012105486/05;
заявл. 16.02.2012;
опубл. 27.07.2013, Бюл. № 21.
Список сокращений СНД – Смеситель непрерывного действия;
СА – Смесительный агрегат;
ВВСНД – Вертикальный вибрационный смеситель непрерывного дейст вия;
ПФ – Передаточная функция.