автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Математическое моделирование и экспериментальное исследование вибрационного смешения с целью оптимизации производства сухих специализированных многокомпонентных продуктов

гШх&овсбЛй ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИКЛАДНОЙ 2 ■/ БИОТЕХНОЛОГИИ

На правах рукописи ХАРИТОНОВ ДМИТРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВИБРАЦИОННОГО СМЕШЕНИЯ С ЦЕЛЬЮ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА СУХИХ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ПРОДУКТОВ.

Специальность 05.13.16 - применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (пищевая промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -1998

Работа выполнена на кафедре вычислительной техники Московского государственного университета прикладной биотехнологии.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Протопопов И.И.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Ширикой В.Ф.

- кандидат технических наук

Морозов Ю.С.

Ведущая организация - ОАО "Истра-Нутриция-Нутритек".

Защита диссертации состоится -Л- июня 1998г. в 14 часов на заседании диссертационного совета К 063.46.02 при Московском государственном университете прикладной биотехнологии по адресу: 109316, г.Москва, ул. Талалихина, 33.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан "_" мая 1998 года.

Ученый секретарь диссертационного

совета, кандидат технических наук, доцент

А.С. Потапов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Проблема производства сухих специализированных многокомпонентных продуктов (ССМП) актуальна для большинства отраслей промышленности, выпускающих пищевую продукцию. Это объяыиется потребностями населения нашей страны в широком ассортименте подобных продуктов и полуфабрикатов, на выработке которых базируется современная индустрия производства продуктов для питания различных возрастных групп населения (детское, школьное, геродиетическое питание), специального назначения (питание для людей с целью корректировки их веса, мышечной массы, повышения устойчивости организма при стрессовых нагрузках и других неблагоприятных воздействиях внешней среды), многокомпонентных комбинированных продуктов и аналогов пищевых продуктов (сухие смеси мороженого, супы, заменители молока и другие продукты), а также целой гаммы пищевых добавок, предназначенных для корректировки свойств традиционных продуктов (хлеб, мясные продукты, молочные продукты и т.д.)

Однако, выпускаемый в настоящее время предприятиями отрасли ассортимент указанных продуктов сравнительно узок, что связано с недостаточной проработкой ряда технических и технологических вопросов.

Одним из направлений, обеспечивающих повышение эффективности пищевых технологий, является использование колебательных или волновых эффектов в процессе обработки продукта путем их наложения на обрабатываемую систему. Значительное распространение в этой области получили вибрационные процессы, являющиеся универсальным средством для создания необходимого динамического состояния системы. Вместе с тем, по некоторым направлениям, и в частности, в области производства ССМП, требуется дополнительное изучение особенностей протекания и оптимизации вибрационных процессов обработки продуктов со сложным химическим

составом. Кроме того, недостаточно изучены и нуждаются в конкретном решении вопросы, связанные с математическим обоснованием влияния технологических факторов на физико-химические показатели продуктов и изучением способов улучшения их качества.

В связи с изложенным, вопросы оптимизации режимов производства сухих специализированных молочных продуктов в поле вибрационных колебаний относятся к актуальным задачам, решение которых имеет важное народнохозяйственное значение.

Работа проводилась с учетом трудов отечественной школы ученых в области теории и практики вибрационных технологий: Гончаревича И.Ф., Ивашова В.И., Лимонова Г.Е., Рогова И.А., Талейсника М.А., Урьева Н.Б.

Применение методов математического компьютерного моделирования и оптимизации реализовывалось с использованием основных положений, сформулированных в работах: Брусиловского Л.П., Володина В.М., Гордеева Л.С., -Ивашкина Ю.А., Кафарова В.В., Кошелева Л.Г., Попова В.И., Протопопова И.И.

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является разработка научных основ оптимизации технологических режимов Производства ССМП методом вибрационного смешения компонентов.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

- разработать параметрическую и обобщенную математическую модели процесса вибрационного смешения;

- провести экспериментальные и компьютерные имитационные исследования технологий вибросмешения ССМП для оптимизации режимов их производства;

- провести изучение влияния входных сигналов, формируемых параметрами работы системы вибросмешения, на качественные показатели готового продукта;

- проверить разработанные математические модели на адекватность

реализуемому на производстве процессу;

- разработать компьютерную методику расчета оптимальных параметров процессов вибросмешения;

разработать оптимальные режимы производства сухих специализированных молочных продуктов на промышленных линиях.

Научная новизна работы. На основе экспериментальных и аналитических исследований:

- выполнено научное обоснование и разработана методика компьютерного моделирования с целью оптимизации производства ССМП, вырабатываемых способом вибросмешения;

- установлены закономерности изменения качества и динамики процесса смешения от значимых технологических и конструктивных параметров работы вибросмесителей и разработана его математическая модель;

- выбраны математические критерии качества и динамики процесса вибросмешения, разработана и утверждена методика отбора проб из смесительных камер вибросмесителей;

- изучено влияние процесса виброобработки на качественные показатели ССМП;

. Практическая ценность работы, На основании результатов проведенных исследований по изучению процесса вибрационного смешения компонентов:

- разработана методика компьютерного расчета оптимальных режимов вибросмешения, на основании которой были установлены технологические режимы проведения процесса;

- разработана программа "ВИБРОМОД" для настройки технологических параметров работы вибросмесителей типа СмВ-0,005 и Я9-ОСВ-50 в зависимости от свойств смешиваемых компонентов;

- разработана методика настройки параметров работы вибросмесителей типа СмВ-0,005 И Я9-ОСВ-50;

- в режиме компьютерного моделирования разработаны графики настройки

вибросмесителей в производственных условиях.

Реализация результатов работы.

Результаты исследований использованы при проектировании и проведении пуско-наладочных работ участков по производству сухих специализированных молочных продуктов с использованием вибросмесительного оборудования на Молочной кухне №15 г.Москвы и во Всероссийском научно-исследовательском институте молочной промышленности (ВНИМИ) г.Москвы.

Разработаны инструкции по использованию вибросмесителей типа СмВ-0,005 и Я9-ОСВ-50 для производства ССМП.

Разработана и сдана в эксплуатацию программа "ВИБРОМОД" для использования в учебном процессе.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались, обсуждались и одобрены на:

- международной научно-практической конференции "Энергосберегающие технологии переработки сельскохозяйственного сырья" (г.Минск,199бг);

- научных чтениях "Теоретические и практические основы расчета термической обработки пищевых продуктов" (г.Москва 1997г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано пять печатных работ.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, содержащего 109 наименований и приложений. Материал изложен на 112 страницах машинописного текста, содержит 9 таблиц и 18 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность и необходимость проведения исследований по выбранной теме, сформулирована цель и кратко изложены теоретические и практические результаты работы, представлена их научная новизна и практическая значимость для промышленности, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе "Состояние вопроса и задачи исследований" рассмотрено применение процессов вибрационного воздействия при производстве пищевых продуктов. Выполнен анализ современных технологий производства ССМП, способов смешения компонентов и аппаратурно-технологического оформления процесса. Рассмотрены и проанализированы свойства сухих компонентов, входящих в состав ССМП, оказывающие влияние на качество смешения и критерии, характеризующие качество смесей. Рассмотрены способы оптимизации процесса вибросмешения.

Результаты анализа показали, что в настоящее время вибрационные процессы эффективно используются в строительстве, машиностроении, медицине, химической и пищевой промышленности. Широкое распространение они получили и в молочной промышленности - в процессах сушки и агломерирования, что позволяет существенно повысить эффективность традиционных технологий. В настоящее время существуют три основных варианта производства ССМП. При осуществлении первого, исходные компоненты перед сушкой смешиваются в жидком виде, при втором - компоненты смешиваются в сухом виде, третий способ является комбинацией вышеперечисленных.

Анализ показал также, что в настоящее время в молочной промышленности практически отсутствуют промышленные системы вибросмешения, предназначенные для производства ССМП. Дополнительно к этому можно отметить, что применительно к процессам производства ССМП известные исследования были, в основном, направлены на изучение процессов получения продуктов детского питания на крупных автоматизированных предприятиях.

Вопросы оптимизации процессов производства ССМП применительно к пищевым отраслям, обладают целым рядом специфических особенностей, поскольку речь идет о биосистемах и режимы вибросмешения компонентов, при определенных условиях, могут оказывать существенное влияние на их

качество. Таким образом, для успешного решения задачи оптимизации процесса вибрационного смешения необходимо дополнительное изучение и этого аспекта. Анализ литературных источников позволил установить, что на эффективность смешения компонентов определенное влияние оказывают свойства компонентов, входящих в состав ССМП. Отмечено, что на качество вибросмешения наибольшее влияние оказывают следующие свойства порошкообразных продуктов: гранулометрический состав Оср, массовая доля влаги ц, насыпная масса р, порозность е, адгезионные характеристики.

Анализ научно-технической литературы показал, что наиболее целесообразно в качестве критерия оценки качества смешения использовать коэффициент неоднородности (вариации) ус. Чтобы оценить качество смешения одной случайной величиной, смесь условно считают двухкомпонентной. Для этого выделяют один компонент, называемый ключевым, а все остальные компоненты объединяют во второй условный компонент. По степени распределения ключевого компонента и судят о качестве смеси. При этом с целью упрощения исследований определяется его концентрация в пробе по формуле (1):

у.=(1оо/Сср)*здяо:(о-Ссрр/(п-1)),(%) ¡=1.....п (1)

где Сер - среднее арифметическое значение концентрации в пробах, %; Означение концентрации ключевого компонента в ¡-й пробе; п- число проб.

Считается, что если V« < 4,0 (%) -смесь хорошо смешана, 4,0 й Ус < 8,0 (%) - удовлетворительно, Ус ¿8,0 % - плохо.

Данный критерий, к сожалению, не может претендовать на роль всеобъемлющей характеристики, так как не может отражать статику и динамику сыпучего материала.

Установлено, что наиболее значительное влияние на процесс смешения оказывают следующие параметры работы вибросмесителей: амплитуда (А) и частота (0 колебаний, коэффициент загрузки (К »г), время смешения (т).

На основании литературного обзора были сформулированы цель, задачи исследовании и предложена схема проведения исследований (рис. I).

_^___

Предварительное исследование режимов работы вибросмесителя.

Установление диапазонов регулирования параметров работы установки __

Разработка и апробация методики отбора проб Планирование и проведение однофакторного эксперимента

V

Разработка системы математических моделей процесса вибросмешения

Компьютерный анализ воздействия параметров работы _вибросмесителя на качество смешения_

Разработка компьютерной методики настройки оптимальных режимов работы вибросмесителей данной марки. Построение графиков настройкн.

Проверка методики Fia расширенном ассортименте продуктов

Рис. 1. Схема выполнения исследований.

Во второй главе "Объекты и методы исследований" определены и описаны объекты исследований, методы определения свойств ССМП, разработанная методика отбора проб для определения качества смешения, методы математической обработки экспериментальных данных. Объектами исследований в диссертационной работе являлись:

- математические модели вибрационного смешения в сопоставлении с реальным технологическим процессом;

- сухие компоненты и ССМП;

- вибрационное оборудование для производства ССМП;

- свойства компонентов и ССМП, их взаимосвязь с параметрами процесса вибросмешения;

- коэффициенты неоднородности ССМП во взаимосвязи с параметрами

работы вибросмесителей.

В качестве модельных сред при выполнении экспериментальной части работы были использованы сухие компоненты, входящие в состав одного из видов продуктов детского питания: сухое цельное и обезжиренное молоко, заменитель цельного молока "Нутри-Бев", сахар-песок, сахарная пудра, стабилизатор "Лигом", витаминный премикс.

Для проведения стендовых и промышленных испытаний, а также организации промышленного выпуска продукции использовался спроектированный и смонтированный при непосредственном участии автора диссертации специализированый участок производства сухих продуктов (рис.2) производительностью 0,5 т/смену. Данный участок предназначен для производства сухих детских продуктов способом сухого смешения компонентов.'

Рис.2. Функциональная схема производства сухих детских молочных продуктов "Белоснежка" на молочной кухне №15 г.Москвы.

В ходе проведения экспериментальных исследований использовались два типа вибросмесителей периодического действия: СмВ-0,005 и Я9-ОСВ-50.

В вибросмесителе СмВ-0,005 амплитуда колебаний и траектория движения частиц в смесительной камере вибросмесителей регулировалась массой дебалансов (т) и углом разворота между дебалансами (а).

Интенсивность процесса смешения в смесителях типа Я9-ОСВ-50 регулировалась изменением статического момента дебалансов (изменением угла разворота дебалансов друг относительно друга и их взаимным расположением), а также включением/отключением механических перемешивающих органов - шнеков.

Концентрация ключевого компонента в работе определялась путем ситового рассева „ компонентов каждой пробы с последующим взвешиванием. Затем по формуле (1) для каждого времени отбора проб, рассчитывался на ЭВМ коэффициент неоднородности с последующим построением соответствующих графических зависимостей.

Полученные результаты обрабатывались с помощью программы "ВИБРОМОД" (рис.3).

Данная программа состоит из блока статистической обработки данных и блока моделей.

Блок статистической обработки данных - совокупность современных методик статистической обработки информации, позволяющих наиболее полно вскрыть взаимозависимости в рамках подборки данных и установить степень _ их статистической надежности. Блок статистической обработки данных включает в себя следующие методы обработки информации: регрессионный и факторный анализы.

Блок моделей - набор математических моделей, которые состоят из совокупности взаимосвязанных переменных, представляющих некий реально существующий процесс. Блок моделей первоначально включает в себя комплекс из 14 моделей. Условием выбора модели являются наименьшие среднеквадратичное отклонение Б и коэффициент корреляции Я модели. На

печать выводится название выбранной математической модели, ее параметры, коэффициент корреляции и среднеквадратичное отклонение.

Да Вычисление

статистических

показателей по

данным экспе-

римента

БАНК МОДЕЛЕЙ

I. Линейная 2,3,4. Гиперболы 5,6,6,8. Полулогарифмические 9,10. Логарифмическая

II. Степенная 12. Показательная 13.Экспоненциальная 14. Экспонента

Индентификация параметров модели

Расчет параметров модели а0,а1, ...,ап

Печать статистических показателей

Оценка достоверности модели. Вычисление среднеквадратичного отклонения Б, коэффициент корреляции К модели.

Нет

Печать названия и параметров оптимальной модели А0,А1.....АГ^МГЫД.

Рис.3. Блок-схема программы сравнительной оценки и анализа моделей "ВИБРОМОД".

В третьей главе "Математическая модель процесса вибрационного смешения" рассмотрены методы математического описания технологического процесса вибрационного смешения. Разработана его параметрическая и математическая модели.

В процессе производства ССМП методом сухого смешения при наладке смесительного оборудования необходима его настройка на оптимальный режим работы для производства конкретного продукта, так как в ходе смешения вмешательство в работу смесителячиевозможно из-за замкнутости (герметичности) рабочей зоны. Это требует значительного объема предварительных экспериментальных исследований для последующего программирования процесса или установления оптимальных его параметров.

Данных трудностей можно избежать при наличии математической модели процесса смешения компонентов, учитывающей конструкцию смесителя и заданный уровень качества смеси.

Уместно также отметать, что математические модели процессов смешения необходимы не только для расчета оптимальных параметров настройки аппаратов, создания АСУ смесительных установок, но и для проектирования смесительных аппаратов с применением ЭВМ.

Следует учитывать, что характер движения продукта и его компонентов в реальных смесительных аппаратах является настолько сложным, что в настоящее время дать строгое математическое описание их, в большинстве случаев, не представляется возможным.

Существующие модели смешения можно подразделить на четыре группы: модели диффузионного смешения; модели кинетики процесса смешения; стохастические и статистические модели процесса смешения; кибернетические модели процесса смешения.

Перечисленные модели отражают основные физические закономерности реального потока в аппарате, позволяют в ходе эксперимента определить параметры модели, применимые для расчета реальных технологических процессов и являются достаточно простыми.

Описанные выше модели, в основном, были разработаны для непрерывно-действующих вибросмесителей.

Именно это обстоятельство накладывает существенные ограничения на принятие базовой модели, учитывающей ряд эффектов процесса смешения (связность и распределение частиц в объеме аппарата, возможность агломерации или сегрегации и т.п.). Кроме того, при пуске вибрационных смесителей на стадии загрузки предложена и реализована послойная подготовка исходной среды, что исключает предположение об экспоненциальном характере оценки однородности смеси.

На основании диализа работы вибросмесителей, предложена кибернетическая модель, позволяющая реализовывать процедуру компьютерного расчета концентрации ключевого компонента в ходе рабочего цикла смесителя.

При рассмотрении циркуляционного контура вибросмесителя периодического-действия, каждую его зону заменяют эквивалентной по действию на поток частиц, цепочкой последовательно соединенных ячеек идеального смешения. Тогда циркуляционный контур смесителя можно представить в виде отдельных цепочек из, ячеек идеального смещения. Данные ячейки соединены в систему потоками частиц, причем перемешивание между ячейками отсутствует. В процессе смешения в аппаратах периодического действия концентрации отдельных компонентов в моделирующих ячейках идеального смешения меняются. Процесс смешения считается завершенным, если концентрации компонентов во всех ячейках не выходят из заданных верхних и нижних значений, а в предельном случае будут равны среднему значению во всем объеме смеси. Однородность смеси во всем объеме смесителя характеризуется коэффициентом неоднородности (вариации) ключевого компонента Ус(г). При ячеечной модели потока частиц по циркуляционному контуру ее расчитывают по формуле (2):

У.(т)= (100/Сср) * 8дК(Е[С1(х)-Сср]^/(Ы-1)) (%), ¡=1.....N (2)

где И- число ячеек идеального смешения в системе; С(т)-концентрация

ключевого компонента в ¡-ой ячейке в момент времени т; Ср-средняя концентрация ключевого компонента в системе.

Таким образом, в основу кибернетической модели вибросмесителен периодического действия положена единичная ячейка идеального смешения, с учетом обратных связей. Структурная схема ячейки (рис.4)' позволяет

См(т)

Рис.4. Структурная схема ячейки идеального смешения.

использовать математическую модель в виде системы дифференцальных уравнений, которые имеют вид (3):

V,ЖШ = (0+ЬА )Си+ЬсД-(и+2Ь )СА

О)

,, НГ" (V» 5 е е в 6 0

dт

где: и-объемный расход смеси через ячейку; I - порядковый номер ячейки; N -

Л А

число ячеек; VI - объем единичной ячейки; С: , Ь - соответственно концентрация и обратный поток ключевого компонента "А" в ¡-ой ячейке; С,? I? - соответственно концентрация и обратный поток компонента "В" в ¡-ой ячейке; т - время процесса смешения. Обозначим и и подставим в уравнения (3).

о ёх

(4)

причем, если Ь=0, то принимается ячеечная модель;

если Ь*0,а Ы-х» - принимается диффузионная модель. Для любой точки циркуляционного контура должны соблюдаться

следующие условия (5):

С>А(т)+0%)=1 С«(х)| ,-о = Со

и=и +ий С.'-х(т)| ,^ = С«А (5)

Таким образом, циркуляционный контур смесителя периодического действия можно представить в виде замкнутой цепочки последовательно соединенных потоком материала ячеек идеального смешения одинакового объема (рис.5):

Рис.5. Структурная схема модели потоков сыпучего материала в одноконтурном вибрационном смесителе периодического действия.

На основании предложенной модели был выполнен эксперимент, в ходе которого рассчитано наиболее рациональное число ячеек, адекватно описывающих реальный процесс, что положено в основу методики контроля процесса вибросмешения, определившей количество и геометрию точек отбора проб.

С этой целью, на каждом шаге компьютерного эксперимента рассчитывался коэффициент неоднородности V«, причем процесс моделирования завершался в момент времени т, при котором этот коэффициент отличался от предыдущего значения в диапазоне 1-2%.

В результате компьютерного эксперимента было установлено число точек отбора проб - 6 (в эксперименте варьировалось число точек от 2 до 10). Установлена гиперболическая закономерность изменения коэффициента Ус в

ходе реализации процесса и затухающий характер колебаний концентраций

д

ключевого компонента относительно Сф(т), что позволяет использовать при автоматизированном проектировании аппаратов с заданными характеристиками апериодическое звено 2-го порядка:

а2С«"+а)С.* +аоС,=С.(т) (6)

где а г. а|- коэффициенты полученные опытным путем в ходе имитационного моделирования на ЭВМ и включающие в себя параметры объекта. Конкретные значения коэффициентов получаются при с.овпадении результатов моделирования с данными натурного эксперимента. Обработка данных экспериментов подтвердила возможность использования апериодического звена второго порядка с постоянными коэффициентами, величины которых определяются в результате имитационного моделирования работы аппаратов в заданных диапазонах: (Ка1 СКа* £1; ао=1, для описания динамики процессов смешения.

Уравнение (6) может быть использовано в качестве базового при разработке системы комплексного проектирования смесителей.

Анализ существующих диффузионных математических моделей смешения выявил целесообразность описания работы вибросмесителей периодического действия диффузионной моделью, компьютерная реализация которых осуществляется с помощью ячеечной модели. Причем, для тороидальных аппаратов наиболее подходят однопараметрические диффузионные модели, в то время как для цилиндрических вибросмесителей -двухпараметрические диффузионные модели.

Блок-схема алгоритма реализации. математической модели (4,5) в режиме компьютерного имитационного эксперимента представлена на рис.6.

На основании выполненного информационного анализа, для успешного решения задачи оптимизации процесса вибрационного смешения, предложена его обобщенная параметрическая л одель (рис.7).

УДЧ.о, С (то), С (тоу

Т

Ы= 2

1

Корректировка Расчет: и ;ов

данных

Вычисление по программе методом Рунге-Кутга

Рис.6. Блок-схема алгоритма реализации математической модели (4,5) в режиме компьютерного имитационного эксперимента.

Основные свойства смешиваемых компонентов

Гранулометрический состав 11ср,м Массовая доля влаги ц,% Насыпная масса р, кг/м5 Порозноспь, е

Адгезионные характеристики ^

Параметры работы вибросмесителя:

Частота колебаний Г, Гц Амплитуда колебаний А, м Коэффициент загрузки Кзаг. Время смешивания т, с

Коэффициент неоднородно-родности Ус

Рис. 7. Обобщенная параметрическая модель вибрационного смешения.

В четвертой главе "Экспериментальное исследование технологии вибросмешения" осуществлено планирование однофакторного эксперимента, дано описание хода проведения экспериментальных исследований по определению практически достаточного уровня качества смешения, минимального времени длительности процесса,

оптимальных режимов работы вибросмесителей, параметров работы вибросмесителя, оказывающих влияние на качество вибросмешения. При проведении исследований, описанных ниже, основное влияние уделялось оценке качества смешения компонентов, в зависимости от параметров работы вибросмесителя.

Для получения более полной картины процесса вибросмешения исследование проводилось с использованием однофакторного эксперимента. При его проведении получены зависимости воздействия параметров работы вибросмесителя на качество смешения. Затем, в ходе компьютерного моделирования были найдены оптимальные режимы вибросмешения.

Проведение однофакторного эксперимента было необходимо в связи с недостаточной изученностью степени влияния каждого из параметров работы вибросмесителя на качество смешения. На рис.8 показаны матрица.

планирования однофакторного эксперимента и уровни варьирования параметров работы вибросмесителей. Математическую модель оптимизационной задачи можно представить в следующем виде (рис.9) В качестве объекта исследований была выбрана модельная 2-х компонентная смесь, состоящая из заменителя сухого молока "Нутри-Бев"(92%) и сахара-песка(8%).

Параметры Кш a ш i

Vc var sonst :onst :onst

Vc const var const :onst

Vc const :onst var const

Vc const const const var

Уровни варьирования параметров Тип вибросмесителей

СмВ-0.005 Я9-ОСВ-50

аН 30°,60°,90°} m=-il95;290;360r>-т="15,10,15,20,30h КМгН0,4;0,6;0,8}' аН0М80в} нет регул. тМ0,5;1;3;5;10,20Ь

*-время х в минутах. Рис.8. Матрица планирования однофакторного эксперимента и уровни варьирования параметров регулировки вибросмесителей.

Вибросмеситель

Vc=F(X,Z,t) ХНА.а.т.т}

Z={ Кмг, dq,,n,p,e

V« = (100/Ccp)*(V (2(Ci-Ccp)2/(n-1))

Vc -»min необходимо,чтобы Ci~>Ccp Vc < 4% -смесь хорошо смешана; 4% <,Vc < 8% -смесь удовлетворительно смешана;

Vc £ 8 % - смесь плохо смешана. •t-»min; t =F(X); x=f(a)->min; x=F(m)-+min; x =F(Z); x=f(K>«r)-*min а->аорт; m—>Шоиг. Ka»r—> Кмгопт

Рис.9. Математическая модель оптимизационной задачи вибросмешения.

Граничные условия: 10%< ц< 15% 500 кг/м3< р < 1000 кг/м3 '■0,4 < е < 0,5 0,05 мм<<1ср<2мм

С использованием программы "ВИБРОМОД*' были получены математические модели процесса смешения (табя. 1,2 и 3).

Таблица 1

Результаты исследований влияния массы дебалансов т, угла разворота дебалансов а и времени смешения т на коэффициент неоднородности Ус(т) для вибросмесителя СмВ-0,005 (Кз.г=0,8).

Значение коэффициента Коэффициенты 1| и Ь Статистическая

А а, неоднородности при т,с. в математических моде- обработка

мм град 300 600 900 1200 1800 лях вида У«(т)=1.+Ыт Я Б

I. Ъ

30 59,56 26,41 13,79 4,50 4,52 -13,037 24502,09 0,996 9,330

1,3 60 52,34 21,85 13,27 9,21 5,47 -5,142 17047,25 0,999 3,895

90 59,43 26,67 20,96 13,6 17,82 -5,252 21967,06 0,994 9,378'

30 >4,03 12,30 6,16 5,96 4,36 -0,3?4 7304,01 0,994 3,123

2,4 60 52,74 21,71 13,24 9,17 5,47 -5,335 17200,71 0,998 4,319

90 55,75 >8,22 18,51 12,11 7,31 -5,923 21135.75 0,999 3,724

30 22,58 >,15 4,23 1,43 3,67 -1,909 7147,94 0,986 5,311

3,6 60 53,70 20,04 11,23 7,45 4,18 -7,904 18149,81 0,996 6,673

90 59,31 25,28 15,54 10,72 6,54 -5,307 19190,16 0,999 3,743

Здесь и далее приняты следующие сокращения: А-амплитуда колебаний; а-угол разворота между дебалансами; Я- коэффициент корреляции, Б-среднеквадратичное отклонение.

Анализ полученных результатов позволил установить, что коэффициент неоднородности зависит от параметров виброобработки и, в частности, от угла разворота и массы дебалансов. Естественно, эти показатели, путем соответствующих пересчетов можно выразить в виде общих характеристик (частота, амплитуда, коэффициент вибрации),

Таблица 2

Результаты экспериментальных исследований влияния угла разворота дебалансов а и времени смешения т на коэффициент неоднородности Vc(t) для вибросмесителя Я9-ОСВ-50 ( К3,г=0,8).

Значение коэффициента Коэффициенты Ь и I» Статистическ.

А, 01 , неоднородности при т, с э математических моде обработка

мм ipaj 30 60 180 300 600 1200 лях вида Vc(x)=h+h/t3 R S

Ь и

2,0 180 26,44 5,33 5,78 5,47 2,27 2,42 3,9 604347,5 0,980 8,962

2,6 0 44,13 э,62 2,19 1,57 3,70 2,14 2,17 1130277,0 0,999 3,250

Таблица 3

Результаты экспериментальных исследований влияния массы дебалансов ш, угла разворота дебалансов а и времени смешения х на коэффициент неоднородности Ус(х) для вибросмесителя СмВ-0.005.

А Кз»г Значение коэффициента Коэффициенты Ii и Ь Статистическая

неоднородности при х ,с в математических мо- обра эотка

мм 300 600 900 1200 1800 делях вида Ve= Ji+b/x R S

Ii h

0,4 89,60 33,19 23,27 19,52 12,26 -6,31 27920,73 0,990 16,940

3,6 0,6 30,84 16,40 14,58 10,41 11,73 5,85 7297,18 0,983 6,251

0,8 22,58 9,15 4,23 4,43 3,67 -1.91 7147,94 0,986 5,311

огражающих параметры работы вибросмесителя. Однако в ряде практических случаев, особенно в процессе испытаний и практической наладки вибросмесителей удобно пользоваться такими показателями, как угол разворота и масса дебалансов.

Математическая обработка полученных результатов исследований (таблицы 1,2 и 3) показала , что коэффициент неоднородности в зависимости от длительности виброобработки достаточно удовлетворительно

описывается следующей гиперболической зависимостью Ус=Ь+1гЛ для вибросмесителя СмВ-0,005 и Ус =Ь+14/т' - для вибросмеСителя Я9-ОСВ-50, где 1|,12,Ь,Ь-опытные коэффициенты, значения которых приведены в таблицах 1, 2 и 3. Следует отметить, что характер вибросмешения для всех типов вибросмесителей, независимо от параметров работы аппаратов, носит идентичный характер. Разработанные математические модели могут служить в качестве расчетной базы при проектировании конструкций вибрационных смесителей для сыпучих продуктов с использованием современных компьютерных технологий.

Анализ полученных данных показал, что можно выделить оптимальные параметры настройки для вибросмесителей СмВ-0,005 и Я9-ОСВ-50 (таблица 4). Следует отметить, что в вибросмесителе Я9-ОСВ-50 быстрее достигается необходимая степень неоднородности смеси. Это можно объяснить наличием дополнительных механических перемешивающих устройств (шнеков) в смесительной камере, воздействие которых, накладываясь на вибрацию усиливают ее эффект. Однако нельзя сказать, что этот тип вибросмесителя однозначно лучше. Смеситель СмВ-0,005 конструктивно более простой и наилучшим образом подходит для экспериментальных целей.

Таблица 4

Оптимальные режимы работы вибросмесителей СмВ-0,005 и Я9-ОСВ-50.

Наименование характеристики СмВ-0.005 Я9-ОСВ-50

Амплитуда колебаний:

вертикальная, мм 3,6 2,6

горизонтальная,мм 2,3 -

Частота колебаний, Гц 24 25

Угол разворота дебалансов.град. 30 0

Коэф. заполнения смесит, камеры 0,8 0,75

Оценка качества смешения многокомпонентных продуктов показала, что коэффициент неоднородности существенно зависит от времени смешения, амплитуды, коэффициента загрузки смесительной камеры, а угол разворота дебалансов носит второстепенное значение.

Приведенные работы подтвердили, что смесители СмВ-0,005 и Я9-ОСВ-50 являются эффективными техническими средствами для производства многокомпонентных смесей, требующих настройки на оптимальный режим до начала их работы с продуктом.

В рамках исследований изучено влияние вибрационного воздействия на насыпную массу, а также массовую долю свободного жира ССМП. Результаты экспериментов отображены в таблицах 5 и 6 и свидетельствуют о том, что повышение длительности виброобработки приводит к повышению содержания массовой доли свободного жира и насыпной массы продукта. Однако указанные изменения довольно незначительны и практически не сказываются на качестве готового продукта.

Таблица 5

Результаты экспериментальных исследований изменения насыпной массы

готового продукта в ходе виброобработки.

Тип вибро- А, Значение насыпной массы Статистическая Математические

смесителя мм (кг/м') обработка модели процесса

Длительность виброобра- Я 8

ботки, с

0 900 '1800 2700

СмВ-0,005 1,3 475 490 501 499 0,92 13,333' р=496,7-0,002/т2 •

3,6 475 501 508 509 0,97 10,000 р=506,0+0,003/т2

Я9-ОСВ-50 2,0 475 499 507 508 0,97 11,333 р=504,7+0,003/х2

2,6 475 506 515 512 0,98 10,000 р=511+0,004/т2

В пятой главе "Практическая реализация исследований в промышленных условиях" приведена блок-схема настройки оптимальных

параметров работы вибросмесителей в зависимости от свойств смешиваемых компонентов и типа вибросмесителя, а также графики настройки параметров работы вибросмесителей СмВ-0,005 и Я9-ОСВ-50 (рис. 10).Приведены также результаты промышленной реализации разработанной схемы.

Таблица 6

Результаты экспериментальных исследований изменения массовой доли свободного жира в ходе виброобработки для вибросмесителя СмВ-0,005.

Компоненты Массовая доля свободного жира (%) Статист, обработка Математические модели

Длительность виброобработки, (с)

0 300 900 1800 2700 К Б

Сух. цельн. 4,82 5,74 6,15 6,40 6,72 0,89 1,28 СЖ=5,29

"Нутри-Бев" 2,85 3,15 2,98 3,42 3,55 0,91 2,92 СЖ=2,92

Готов, прод. 3,41 3,89 4,01 4,21 5,01 0,95 0,70 СЖ=3,53

У<(%)

а)

Рис. Ю.Графики настройки вибросмесителя в зависимости от его установочных параметров.

а) Внбросмеситель СмВ-0,005 (угол разворота между дебалансами 30°);

б) Вибросмеситель Я9-ОСВ-50 (угол разворота между дебалансами 0°).

выводы.

1. Разработана и экспериментально проверена параметрическая и обобщенная математические модели процесса вибрационного смешения компонентов применительно к производству сухих специализированных многокомпонентных продуктов.

2. Проведены экспериментальные и компьютерные имитационные исследования технологии вибрационного смешения, выявившие наличие взаимосвязи между параметрами вибросмешения и ее качеством, выраженную коэффициентом неоднородности продукта.

3. Изучение влияния входных сигналов, формируемых параметрами работы системы вибросмешения на качественные показатели готового продукта, позволило установить оптимальный диапазон работы вибросмесителей СмВ-0,005 и Я9-ОСВ-50. Следует отметить, что он не приводит к существенным негативным измениям насыпной массы и массовой доли свободного жира ССМП.

4. Разработаны структура, алгоритм и программное обеспечение автоматизированной компьютерной системы "ВИБРОМОД", предназначенной для оценки, идентификации и выбора математических моделей со статистической оценкой правильности принятия решений.

5. Разработаны методики цтбора проб и настройки вибросмесительного оборудования, на основании которых были рассчитаны оптимальные режимы работы вибросмесителей СмВ-0,005 и Я9-ОСВ-50.

6. Полученные результаты использованы при создании участков производства сухих специализированных. продуктов производительностью

0.3 и 0,5 т/смену.

Основные положения диссертационной работы изложены в следующих публикациях.

1. Харитонов Д.В. Особенности производства сухих многокомпонентных молочных продуктов с использованием вибрационных систем сухого смешения. // Международная научно-практическая конференция

"Энергосберегающие технологии переработки сельскохозяйственного сырья". Тезисы докладов.Минск,1996, с.127-128.

2. Харитонов Д.В. Применение вибросмесителей для производства сухих многокомпонентных специализированных продуктов.// Тезисы докладов научных чтений "Теоретические и практические основы расчета термической обрабогки пищевых продуктов",М., МГУПБ,1997, с. 95.

3. Харитонов Д.В. Экспериментальное изучение свойств специализированных продуктов, выработанных методом сухого смешивания компонентов.// Тезисы докладов научных чтений "Теоретические и практические основы расчета термической обработки пищевых продуктов",М„ МГУПБ.1997, с 96.

4. Протопопов И.И. Харитонов Д.В. Оптимизация режимов производства сухих специализированных молочных продуктов на вибросмесителях типа СмВ и Я9 ОСВ 50.// Научно-технический сборник "Новые инструментальные методы контроля состава и качества молока и молочных продуктов. Выпуск 8.М.1998, с.39-50.

5.Харитонов Д.В. Производство сухих многокомпонентных продуктов способом сухого смешивания.//"Молочная промышленность",№1,98г.с.35-36.

ГПП «Печатай*» Зак.2£2

Тир.: 400