автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.04, диссертация на тему:Исследование процессов дозирования в агрегатах непрерывного действия с целью интенсификации смесеприготовления



КЕМЕРОВСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ПИЩЕВОЙ

ПРОМЫШЛЕННОСТИ

ПОЗДНЯКОВ ДМИТРИЙ ЛЕОНИДОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДОЗИРОВАНИЯ В АГРЕГАТАХ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ С ЦЕЛЬЮ ИНТЕНСИФИКАЦИИ

СМЕСЕПРИГОТОВЛЕНИЯ

Специальности: 05.18.04- технология мясных, молочных

и рыбных продуктов. 05.18.12- процессы и аппараты ^Тмщевых производств

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Руководители: д.т.н., проф. В. Н. Иванец к.т.н., доцент Б. А. Федосенков

На правах рукописи

Кемерово 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение и постановка задач исследования.......................................... 6

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ДОЗИРОВАНИЯ В СМЕСЕПРИГОТО-

ВИТЕЛЬНЫХ АГРЕГАТАХ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ....... 10

1.1. Проблемы математического моделирования процессов дозирования и непрерывного смесеприготовления............... 10

1.1.1. Основы представлений о способах оценки качества смесей.................................................................. 16

1.1.2. Методы математического описания динамики процессов непрерывного смесеприготовления............... 18

1.2. Влияние пульсаций питающих потоков на процесс непрерывного смесеобразования............................................ 20

1.3. Дозирующее оборудование, сравнительные характеристи-

ки, анализ возможности повышения эффективности......... 25

1.4. Выводы по первой главе................................................. 34

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПРОЦЕССОВ ДОЗИРОВАНИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СМЕСЕПРИГОТОВИТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА И ЕГО ФРАГМЕНТОВ ......................................................................... 35

2.1. Характеристика общей структурно-функциональной схемы

смесеприготовительного комплекса, ее описание, исследование и анализ.......................................................... 35

2.1.1. Топологический способ анализа смесительной системы на основе сигнальных графов............................. 37

2.1.2. Разработка и формирование расчетной блочной структурной схемы агрегата.................................... 40

2.1.3. Описание дозирующих воздействий в смесительном агрегате и их параметризация................................. 42

2.2. Формирование моделей дозирующих потоков................... 43

2.2.1. Модели дозирующих устройств по формируемым ими

материалопотокам в дозаторах непрерывного действия ............................................................................................................................................43

2.2.1.1. Описание дозирующего сигнала спирального дозатора......................................................................................................43

2.2.1.2. Дозирующий сигнал шнекового дозатора............46

2.2.2. Разработка модели сигнала мгновенной производительности порционных дозаторов........................................................47

2.3. Описание блока дозирующих устройств в терминах пространства состояний смесительного агрегата......................................58

2.3.1. Спиральный дозатор..........................................................................58

2.3.2. Шнековый дозатор................................................................................60

2.3.2.3. Порционный дозатор....................................................................62

2.4. Выводы по второй главе..................................................................................................67

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО СТЕНДА

И МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ 68

3.1. Описание исследовательского стенда..............................................................68

3.2. Дозировочное оборудование......................................................................................71

3.2.1. Шнековый дозатор....................................................................................................71

3.2.2. Спиральный дозатор..............................................................................................74

3.2.3. Порционный дозатор............................................................................................74

3.3. Центробежный смеситель непрерывного действия..........................77

3.4. Физико-механические свойства сыпучих материалов, использованных в исследованиях............................................................................79

3.5. Частотно-индуктивный преобразователь концентрации ключевого компонента в смеси сыпучих материалов..................81

3.6. Алгоритм определения концентрации индикатора в составе смеси............................................................................................................................................88

3.7. Аппаратно-программный комплекс для регистрации и обработки информации..................................................... 88

3.8. Выводы по третьей главе................................................ 91

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ МОДЕЛИ СМЕСИТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА И МАШИННЫЙ АНАЛИЗ СМЕСЕ-ПРИГОТОВИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ................................. 92

4.1. Исследование работы дозирующих устройств.................... 92

4.2. Расчет агрегата в технологическом пространстве состояний при непрерывном дозировании................................. 95

4.3. Оценка сглаживания входных потоков при изменении интенсивности рецикла..................................................... 104

4.4. Нерегулярности процесса перемешивания....................... 105

4.5. Исследование возможностей асинфазно-синхронного режима дозирования......................................................... 109

4.6. Сглаживающие свойства центробежных смесителей.......... 115

4.7. Оценка степени интенсификации смесеприготовления...... 117

4.8. Выводы по четвертой главе............................................. 120

ГЛАВА 5. ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ........................................ 122

5.1. Центробежный смеситель для сыпучих материалов с направленной организацией материалопотоков................... 122

5.2. Аппаратурное оформление процесса смешивания при витаминизации пищевых продуктов.................................... 124

5.3. Разработка аппаратурного оформления процесса смешивания в производстве сухого мороженого........................ 126

5.4. Подготовка пряно-солевых смесей при приготовлении

рыбных пресервов......................................................... 128

5.5. Выводы по пятой главе................................................... 131

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ................................... 132

ЛИТЕРАТУРА.................................................................................... 134

Приложение 1. Полная расчетная схема СМПА в технологическом про- 145 странстве состояний......................................................

Приложение 2. Погрешности Фурье-аппроксимации сигналов порционного

дозирования................................................................. 155

Приложение 3. Получение сигнала порционного дозирования.................. 158

Приложение 4. Исследование влияния амплитуды входных дозирующих

воздействий на характер сглаживания............................. 162

Приложение 5. Результаты моделирования смесеприготовительного агрегата в виде динамической системы "дозатор - смеситель" 165

Приложение 6. Оценка сглаживающих способностей фрагмента смесепри-готовительной системы "порционный дозатор - центробежный смеситель"....................................................... 168

ВВЕДЕНИЕ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

Процессы дозирования мелкозернистых и дисперсных материалов и получения многокомпонентных смесевых композиций (витаминизированных смесей на основе сухого молока, посольных и пряно-солевых сухих составов в мясной и рыбной промышленности) на их основе занимают важное место в пищевой, химической и других отраслях народного хозяйства.

Анализ известных результатов теоретических и экспериментальных исследований по данному вопросу показывает значительное преимущество смесеприго-товительного оборудования непрерывного действия над периодическими аналогами (повышение производительности агрегата при одновременном снижении удельного энергопотребления, металлоемкости и себестоимости готового продукта, широкие возможности по автоматизации процесса, улучшение технических и санитарных условий труда.

Однако непрерывно действующие смесительные агрегаты не получают широкого применения в промышленности главным образом из-за сложности дозирования в них компонентов в заданных соотношениях, в то время как их оснащение автоматическими весовыми дозирующими устройствами часто бывает экономически неоправданным.

Одной из основных трудностей при приготовлении многокомпонентной смеси является определение комплекса параметров функционирования блока дозирующих устройств (ДУ) и поддержание его на заданном уровне, т.е. установление и стабилизация схемы формирования доз компонентов, выдаваемых отдельными дозаторами блока, для создания входных - по отношению к смесительному устройству - материалопотоков, обладающих минимальными флуктуациями.

В настоящее время отсутствует системный подход к изучению процессов дозирования сыпучих материалов, который бы рассматривал их влияние на интенсивность смесеприготовления с позиций кибернетических представлений о динамических системах.

Таким образом, решение вопросов разработки и совершенствования технологических способов исследования смесеприготовительных процессов в непре-рывнодействующих агрегатах для переработки порошкообразных материалов на базе теоретических и экспериментальных исследований, создания теории и мето-

дик их расчета, реализуемых на компьютерной основе, является актуальной задачей, представляющей научный и практический интерес.

Настоящая работа выполнена в соответствии с целевой региональной научно-технической программой "Кузбасс" и планом основных научных направлений ПНИЛ Кемеровского технологического института пищевой промышленности (Кем-ТИПП).

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Целью настоящей работы является разработка и совершенствование технологических способов дозирования порошкообразных композиций на базе смесепри-готовительных агрегатов (СМПА) на основе соответствующих теоретических и экспериментальных исследований и оценки совместного влияния материальных потоков дозирующих устройств и характеристик смесителей непрерывного действия на качество потока готовой смеси.

Сформулированы следующие задачи:

- исследование процессов дозирования в устройствах непрерывного и дискретного типов (спиральных, шнековых, порционных);

- формирование - с использованием кибернетического подхода - комплексной математической модели блока ДУ, учитывающей совокупность режимных параметров дозирующих сигналов при их варьировании; разработка методов исследования модели, позволяющих рационально согласовать комплекс параметров дозирующих устройств и центробежных смесителей непрерывного действия с целью интенсификации процесса смесеприготовления;

- проведение анализа результатов физического и цифрового моделирования фрагментов системы смесеприготовления;

- совершенствование технологических режимов дозирования с точки зрения минимизации пульсаций дозирующих материалопотоков и их увязка с качеством получаемых в смесителе композиций.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ.

Разработана комплексная математическая модель блока ДУ, учитывающая совокупность режимных параметров выходных сигналов, которая позволяет варьировать условия дозирования в интерактивном режиме, используя при этом структурно-топологический подход, и моделирование в технологическом пространстве состояний; изучено влияние параметров процессов дискретного дозирования на характер выходных потоков смесителей; разработаны способы интенсификации процесса получения смесей заданного качества путем организации рациональных режимов дозирования и использования согласно-параллельных каналов и каналов рециркуляции с целью интенсификации процесса смесеприготовления; произведена оценка параметров асинфазно-синхронного режима дозирования с целью обеспечения предварительного демпфирования флуктуаций питающих потоков; показана эффективность импульсного режима рециркуляции по сравнению со статическим рециклом, выявлены количественные закономерности сглаживания дискретных дозирующих воздействий центробежными смесителями непрерывного действия, работающими в различных режимах загрузки.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ.

Предложены конструктивные изменения в центробежном смесителе непрерывного действия с внутренними опережающим и рециркулирующим каналами; на данное решение подана авторская заявка на выдачу патента РФ.

С участием автора разработано аппаратурное оформление технологического процесса мультиингредиентного дозирования в производстве витаминизированных порошкообразных продуктов на основе молочных смесей. Данная технологическая схема успешно опробована на АО Кемеровский молочный комбинат. Технология дозирования и способы интенсификации смесеприготовления испытаны при выработке посольных и пряно-солевых композиций для приготовления рыбных пресервов и посолочных смесей в условиях АО "Кемеровский мясокомбинат".

Материалы диссертационной работы внедрены в научно-учебные комплексы кафедр процессов и аппаратов пищевых производств и автоматизации производст-

венных процессов и автоматизированных систем управления КемТИПП и используются в лекционных курсах и дипломном проектировании.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСИТСЯ :

Комплексная математическая модель технологического процесса дозирования в СМПА непрерывного действия; результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса дозирования в устройствах непрерывного и дискретного действия; результаты исследования сглаживающей способности центробежным смесителем воздействий от непрерывных и дискретных дозаторов объемного типа; структурно-топологические схемы материалопотоков в блоке дозирующих устройств и собственно в смесительном аппарате; усовершенствованная схема порционного дозирования (асинфазно-синхронного типа).

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ДОЗИРОВАНИЯ В СМЕСЕПРИГОТО-ВИТЕЛЬНЫХ АГРЕГАТАХ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ.

В настоящее время приготовление однородных по составу композиций из твердых сыпучих материалов посредством их смешивания является одним из широко используемых технологических процессов. Для его технической реализации разработано и используется дозировочно-смесительное оборудование широкого спектра, отличающееся большим конструктивным многообразием. Это объясняется тем, что в каждой отрасли промышленности стараются применять традиционные конструкции смесителей и дозаторов.

Процессы дозирования и смешивания сыпучих материалов, широко используемые в различных отраслях промышленности, могут быть эффективно реализованы в непрерывно действующих смёсеприготовительных агрегатах. Приготовление композиций с заданными качественными показателями обеспечивается как организацией рабочего процесса, так и наличием теоретического описания, которое позволяет производить целенаправленную разработку рациональных режимов функционирования оборудования, исходя из требуемого качества смешивания при минимуме энергозатрат.

В данной главе проанализировано современное состояние теории и математического описания технологического процесса непрерывного дозирования сухих сыпучих материалов, а также рассмотрено современное оборудование, предназначенное для его аппаратурного оформления.

1.1 Проблемы математического моделирования процессов дозирования и непрерывного смесеприготовления.

В силу большой практической значимости и многообразия конструктивного -оформления и способов реализации смесеприготовления, вопросам моделирования процессов непрерывного и дискретного дозирования, а также процессов смешения, посвящено значительное количество научных трудов [2, 13, 14, 17, 23, 29, 46, 47, 50, 71, 118]. Изучение процесса смешивания во времени (т.е. его кинетики) дает возможность установить оптимальное время смешивания, при котором качественные показатели получаемой смесевой композиции группируются в области наибольшего соответствия требованиям технологического регламента. Кроме того,

в результате комплексного исследования процесса приготовления смеси, начиная от этапа дозирования исходных компонентов и кончая получением готового смесе-вого продукта, выявляются основные направления совершенствования как способов дозирования, так и интенсификации смесительного процесса, а также их аппаратурного оформления.

Многообразие вопросов, возникающих при решении указанных задач, предопределяет не меньшее многообразие способов и методов моделирования комплексного процесса смесеприготовления.

На основе всестороннего анализа монографий, диссертаций и научных статей проф. Ахмадиев Ф.Г. и проф. Александровский А.А. [13] выделяют основные подходы, применяемые при моделировании комплексных процессов приготовления смесей. К ним относятся: эмпирические методы; методы механики сплошных сред; энтропийно-информационный подход; вероятностно-статистический (стохастический) подход; методы, основанные на анализе структуры потоков с помощью функции распределения времени пребывания (ФРВП) частиц потока внутри аппарата (кибернетические методы).

Эмпирический метод до настоящего времени широко используется для изучения процесса смешивания. Подробный анализ его использования приведен в монографиях [2, 72]. При данном методе экспериментальные данные, полученные при изучении опытного смесителя, обрабатываются и изучаются с целью выявления зависимости между коэффициентом неоднородности, характеризующим качество смешения, временем смешения, числом оборотов, потребляемой мощности, свойствами смешиваемых материалов. Динамика проц�