автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Повышение эффективности процесса смешивания при получении комбинированных продуктов в смесительных агрегатах центробежного типа

На правах рукописи

БОРОДУ ЛИН ДМИТРИЙ МИХАЙЛОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА СМЕШИВАНИЯ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ КОМБИНИРОВАННЫХ ПРОДУКТОВ В СМЕСИТЕЛЬНЫХ АГРЕГАТАХ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ТИПА

05.18.12 «Процессы и аппараты пищевых производств»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

г 6 СЕН 2013 005533413

Кемерово 2013

005533413

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» (ФГБОУ ВПО «КемТИПП»),

Научный консультант: заслуженный деятель науки РФ, доктор

технических наук, профессор Иванец Виталий Николаевич

Официальные оппоненты: Федоренко Борис Николаевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств», профессор кафедры «Технологическое оборудование пищевых предприятий» Афанасьев Валерий Андреевич, доктор технических наук, профессор, генеральный директор ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт

комбикормовой промышленности» Хмелев Владимир Николаевич, доктор технических наук, профессор, Бийский технологический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова», заместитель директора по научной работе

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный университет инженерных технологий», г. Воронеж

Защита состоится «25» октября 2013 года в Ю00 ч на заседании диссертационного совета Д 212.089.02 при ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» по адресу: 650056, г. Кемерово, бульвар Строителей, 47, тел./факс 8(3842)39-68-88.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности». С авторефератом можно ознакомиться на официальном сайте ВАК Минобрнауки РФ (http://vak.ed.sov.ru/ru/dissertatiori) и ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» (кПр://\уту.кетйрр.ги). Автореферат разослан « сентября 2013 г. Ученый секретарь

диссертационного совета 7 Гореликова Г.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современное состояние рынка оборудования пищевой промышленности характеризуется значительным увеличением спроса на машины и аппараты, позволяющие с небольшими энергетическими затратами получать высококачественные продукты повышенной ценности (обогащенные витаминами и биологически необходимыми компонентами). В частности, населению необходимо использовать в своем рационе новые комбинированные продукты, позволяющие ликвидировать дефицит различных пищевых веществ и микронутриентов. Так как многие виды добавок содержатся в основном продукте в небольших количествах (от 1 % и менее), то одной из главных проблем является их равномерное распределение по всему объему. По результатам исследований выявлено, что наиболее перспективными для решения этой проблемы являются смесители непрерывного действия (СНД) центробежного типа, которые характеризуются высокой интенсивностью процесса смешивания, за счет направленной организации движения тонких разреженных сло-ёв, обеспечивают надежное сглаживание пульсаций входных материалопотоков. В СНД центробежного типа возможно совмещение процессов смешения и диспергирования, это позволяет получать смеси хорошего качества при большом соотношении смешиваемых компонентов и является одним из их основных преимуществ.

В настоящее время в пищевых вузах и НИИ разрабатываются новые технологии получения продуктов питания для различных слоев населения, обогащенных витаминами, минералами и биологическими добавками. Например, актуальна проблема получения многокомпонентных смесей заданного качества в технологии производства продуктов и рационов питания для космонавтов, в создании пищевых концентратов, в том числе для детского, диетического и спортивного питания широкого ассортимента, сбалансированных по содержанию основных питательных веществ с одновременным сохранением вкусовых достоинств, разработки комплексных пищевых добавок для кондитерских изделий, напитков и молочных продуктов.

Схожую крупную проблему приходится решать в других отраслях промышленности, например, в аграрно-промышленном комплексе (производство комбикормов), в строительной (производство сухих смесей), фармацевтической (производство витаминов, таблеток, цементов для лечения остеопорозных позвонков), химической (производство пороха, сухого ракетного топлива). Поэтому разработка эффективных непрерывно действующих центробежных смесителей нового типа для получения качественных смесей с соотношением компонентов до 1:1000 смеси является актуальной научной проблемой, имеющей общехозяйственное значение.

Значительный вклад российских и зарубежных учёных, посвященный исследованиям в области разработки теории, моделирования и практического смесепри-готовления, был сделан: Ю.И. Макаровым, A.A. Александровским, Ф.Г. Ахмадие-вым, А.И. Зайцевым, A.B. Каталымовым, В.В. Кафаровым, ИИ. Дороховым, В.Н. Иванцом, Г.Е. Иванец, Б.А. Федосенковым, И.А. Бакиным, С.Р. Джинджихадзе, И.И. Фишером, К.С. Кампбелом, П.В. Данквертсоном, Chen J. L., Harwood С., Muz-zio F.J. и рядом других ученных. Однако, несмотря на большой объём исследований смесителей центробежного типа, остаются недостаточно изученными вопросы, ка-

сающиеся повышения эффективности и интенсивности непрерывных смесеприго-товительных процессов; реализации и математического описания последовательного разбавления смеси; изучения скоростей пылевоздушных потоков для создания их направленного движения внутри СНД с целью повышения качества смеси.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с научными направлениями ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности», на проведение исследований выделены гранты: Министерства образования РФ Т02-06.7-1238 «Научно-практические основы разработки непрерывнодействующих смесителей центробежного типа с регулируемой инерционностью для получения сухих и увлажненных композиционных материалов», 2003-2004 г.г.; Грантом Губернатора Кемеровской области «Разработка непрерывнодействующих смесительных агрегатов центробежного типа для получения комбинированных кормов и продуктов питания», 2007 г. (грангодержатель - Д.М. Бородулин); грант Всероссийского конкурса докладов в ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» - «Разработка и исследование непрерывнодействующих смесительных агрегатов центробежного типа для получения сухих комбинированных продуктов», 2007 г. (грангодержатель - ДМ. Бородулин); грант Министерства образования и науки РФ 7.2715.2011 «Разработка высокоинтенсивных процессов получения комбинированных продуктов питания с использованием вторичного сырья», 20122014 г.г.

Цель работы. Создание эффективных центробежных непрерывнодействующих смесителей нового типа, на основе использования результатов математического моделирования и экспериментальных исследований влияния различных факторов на процессы смешивания и диспергирования, а также организации направленного движения тонких разреженных слоев и пылевоздушных потоков в рабочем объёме аппарата, позволяющих решить общехозяйственную проблему получения смесей заданного качества.

Задачи исследований.

- Математически описать процесс смешивания на основе корреляционного анализа ряда схем с различной организацией движения материальных потоков в центробежных смесителях нового поколения.

— На основе кибернетического подхода с применением теории автоматического управления и дифференциальных уравнений создать математические модели процесса смешивания в смесительных агрегатах центробежного типа, с учётом динамических параметров аппаратов, входящих в их состав.

— Теоретически обосновать конструкции СНД центробежного типа нового поколения для получения качественных смесей при соотношении смешиваемых компонентов до 1:1000, в том числе совмещающие процессы смешения, увлажнения и диспергирования.

- Разработать алгоритм расчёта на ЭВМ рациональных динамических и конструкционных параметров работы СНД на основе частотно-временного анализа, с учётом входных воздействий, оказываемых со стороны дозаторов объёмного типа. Проверить математические модели смесителей на адекватность реальному процессу.

- Разработать и исследовать новые конструкции СНД центробежного типа с целью нахождения их рациональных конструктивных и технологических параметров работы, обеспечивающих стабильность качества готовой продукции. Изучить распределение скоростей воздушных потоков в рабочем объёме центробежных смесителей нового поколения для выявления их степени влияния на качество получаемой смеси. Разработать инженерную методику расчета СНД центробежного типа и агрегата в целом.

- Экспериментально подтвердить возможность повышения эффективности центробежных смесителей нового поколения, за счёт совмещения в них процессов смешивания, увлажнения и диспергирования.

- Разработать аппаратурное оформление стадий получения сухих или увлажненных композиций для ряда отраслей промышленности, с использованием предложенных нами новых конструкций СНД центробежного типа.

Методология и методы исследования. Автором при изучении научных теорий и разработок в области смешивания и диспергирования сыпучих и увлажнённых материалов обобщены результаты, полученные различными учёными. В качестве объекта исследования обоснован выбор новых конструкций высокоэффективных СНД центробежного типа. При выполнении работы применялись теоретические и экспериментальные методы исследования, направленные на решение поставленных задач. Исследования проводились путем разработки математических моделей с использованием теории автоматического управления, математической статистики и физического моделирования, позволяющие получать аналитические и численные решения. Изучение процессов смешивания и диспергирования проводилось на различных лабораторных стендах, расположенных на площадках действующих производств и смесительной лаборатории КемТИППа.

Научная концепция. В основе научного исследования положено многогранное изучение процесса смешивания, базирующегося на новых теоретических аргументах, разработанного математического аппарата и проведённых конструктивных и технологических мероприятий по повышению его эффективности при получении комбинированных продуктов в СНД центробежного типа, позволяющих обеспечить заданное качество смеси.

Научная новизна. Математические модели, полученные на основе корреляционного анализа влияния топологии материальных потоков на однородность смеси в новых конструкциях СНД центробежного типа. Результаты их моделирования позволяют оценить степень сглаживания в аппаратах с прямым и обратным рециклами внешних и внутренних контуров, а также провести её расчёт для каждого конкретного случая, и определить коэффициенты рециркуляции, обеспечивающие заданное качество смеси.

Математические модели в виде систем дифференциальных уравнений, включающие в свой состав информацию о формировании потоковых сигналов в блоках дозирующих устройств, описывающие поведение смесительного агрегата в пространстве состояний.

Результаты исследований конструктивных и технологических параметров, позволяющие повысить эффективность и интенсивность процесса смешивания в новых смесителях центробежного типа.

Эффективность использования центробежного СНД новой конструкции, работающего по методу последовательного разбавления, при получении смесей с соотношением исходных компонентов порядка 1:500...1000, по сравнению к двум последовательно соединенным аппаратам.

Математические модели непрерывнодействующих смесительных агрегатов (на основе кибернетического подхода, с применением теории автоматического управления), включающих в свой состав СНД центробежного типа с прямым и обратным контурами материальных потоков, и аппарата, работающего по методу последовательного разбавления, позволяющие прогнозировать качество смеси.

Измерения распределения скоростей воздушных потоков в роторах, состоящих из одного или нескольких конусов, которые за счёт организации их направленного движения способствуют улучшению качества получаемых смесей.

Уравнения регрессии, адекватно описывающие экспериментальные данные позволяют определить рациональные конструктивные и технологические параметры работы центробежных смесителей, а также спрогнозировать качество получаемых смесей.

Теоретическая и практическая значимость работы. Разработаны и обоснованы новые конструкции центробежных СНД, обладающие регулируемой инерционностью, а так же аппараты, совмещающие в себе процессы смешения, диспергирования и увлажнения, которые позволяют получать высококачественные смеси при соотношении исходных компонентов в диапазоне от 1:100 до 1:1000.

Применение нового программного «МаЛСАЛ» алгоритма расчета численных значений сглаживающей способности и передаточных функций, динамических и конструктивных параметров смесителя, а также входных воздействий, оказываемых со стороны блока объёмных дозирующих устройств, позволяет согласовать частотные характеристики работы всего смесительного агрегата.

Использование новых конструкций центробежных смесителей в промышленности снижает металло- и энергоёмкость почти на 30 %. Техническая новизна предлагаемых нами центробежных СНД действия защищена девятью патентами РФ на изобретения. Разработано аппаратурное оформление технологических линий, которые включают в свой состав новые центробежные СНД для получения: витаминизированной муки для хлебобулочных изделий на ООО «Мастер-продукт» (г. Новокузнецк) с фактическим экономическим эффектом 11222016 руб./год; йодированной муки на ООО «Кемеровохлеб» (г. Кемерово); сухой строительной штукатурной смеси М100 на ЗАО «Профикс-Кузбасс» (г. Кемерово); сухие смеси для посола деликатесных продуктов из мяса птицы на ОАО «ТД ОТМАШ» (г. Кемерово); сухих комбинированных завтраков и напитков на ООО НПО «Здоровое питание».

Значимые аспекты диссертации используются при академической подготовке на кафедре процессов и аппаратов пищевых производств бакалавров и магистрантов ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности».

В диссертации обобщены результаты теоретических и экспериментальных ис-

следований, проведенных самим Бородулиным Д.М., или при его непосредственной деятельности как научного руководителя фантов, хоздоговорных НИР и диссертационных работ с 2000 то 2013 годы.

Положения, выносимые на защиту: математическое представление различных схем материальных потоков внутри центробежных смесителей на основе корреляционного анализа; математические модели непрерывно действующих смесительных агрегатов, разработанных с использованием кибернетического подхода и элементов теории автоматического управления, позволяющих за счёт согласования частотно временных характеристик смесительного агрегата (СА) определить необходимые степени сглаживания флуктуаций входных материалопотоков; результаты теоретических и экспериментальных исследований методов повышения интенсивности и эффективности процессов смешивания и диспергирования дисперсных материалов в новых конструкциях СНД центробежного типа и методики их инженерного расчёта.

Апробация результатов работы. Основные положения, изложенные в диссертационной работе, были представлены и обсуждены на:

- международных научно-технических конференциях (2000-2013 гг.): «Продовольственный рынок и проблемы здорового питания» (Орёл, 2000); «Пища. Экология, человек» (Москва, 2001); симпозиуме «Федеральный и региональный аспекты государственной политики в области здорового питания» (Кемерово, 2002); «Современные материалы, техника и технология» (Курск, 2011); «Пищевые продукты и здоровье человека» (Кемерово, 2012); «Научный форум» (Москва, 2012); «Современные инновации в науке и технике» (Курск, 2012); Инновационный конвент: «Кузбасс: Образование, наука, инновации» (Кемерово, 2012); Международный научный форум «Пищевые инновации и биотехнологии» (Кемерово, 2013); Международный конкурс научно-исследовательских проектов молодежи «Продовольственная безопасность» (Екатеринбург, 2013); «European Science and Technology» (Munich -Germany, 2013); «Science, Technology and Higher Education» (Westwood - Canada, 2013); XV Международная научно-практическая конференция «Современные проблемы гуманитарных и естественных наук» (Москва, 2013);

- всероссийских научно-технических конференциях (2003-2009 гг.): «Достижение науки и практики в деятельности образовательных учреждений» (Юрга, 2003); «Молодые ученые Сибири» (Улан-Удэ, 2003); «Инструментальные методы для исследования живых систем в пищевых производствах» (Кемерово, 2009); «Новый этап развития пищевых производств: инновации, технологии, оборудование» (Екатеринбург, 2009);

- региональных научных конференциях (2001-2004); «Информационные недра Кузбасса» (Кемерово, 2001); «Пищевые технологии» (Казань, 2002, 2003, 2007); «Наука и практика. Диалоги нового века» (Татарстан, Набережные челны, 2003); «Молодые ученые Кузбассу» (Кемерово, 2003); «Новое в технологии инженерного образования: опыт, проблемы и перспективы» (Кемерово, 2004);

- научных конференциях ФГЪОУ ВПО «КемТИПП».

- Публикации. По материалам диссертации опубликовано 77 работ, в том числе: 2 монографии; 19 журналах, рекомендованных ВАК; 5 депонированных рукописей; 2 работы в зарубежных научных изданиях; 9 патентов РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 8 глав, основных результатов и выводов, списка литературы и приложений; включает 69 таблиц, 118 рисунков. Основной текст изложен на 284 страницах машинописною текста, приложения - на 117 страницах. Библиографический список включает 200 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность, цель, новизна и практическая значимость работы, а так же представлена её общая характеристика.

В первой главе представлен анализ состояния смесеприготовигельного оборудования, теории и математического моделирования процесса смешивания сыпучих материалов. Рассмотрены условия повышения его эффективности и приведено обоснование выбора в качестве объекта исследования СНД центробежного типа. Сформулированы основные требования к новым конструкциям центробежных смесителей.

Во второй главе проведён корреляционный анализ разнообразных схем с заданным движением материальных потоков в непрерывнодействующих центробежных аппаратах (рисунки 1 и 2) с опережающими, рециркулирующими и пересекающимися потоками. В качестве примера рассмотрим организацию движения материальных потоков в СНД по схеме «В» (рисунок 2), предполагающая разделение входного материального потока на несколько частей с последующим их наложением, т.е. осуществляется перемещение материала с двойным опережающим потоком. Введем следующие обозначения: Х0 и Кхо(т) - исходный материал, поступающий в смеситель, и его корреляционная функция; XI и Кх{т) - материал, поступающий на i-й конус СНД, и его корреляционная функция, 1=1...п\ХВ1 и Кхв/V - поток материала, выходящий с / — го конуса смесителя, и его корреляционная функция, I = l...n; ХВ и Кхв(т) - материал, выходящий из смесителя, и его корреляционная функция; а - коэффициент распределения на первой ячейки аппарата; a¡ - коэффициент опережения, определяет какая часть от общего материалопотока попадает на/— й конус, ß- коэффициент рециркуляции на/-ом конусе;/= l...n; п - количество конусов (ячеек); г- интервал корреляции, принимался в диапазоне 0 + 6 с.

Схема «А» Схема «Б»

Рисунок 1 - Схемы организации материальных потоков в одноконусных смесителях непрерывного действия центробежного типа.

Схема «В»

Схема «Г»

ВНУТРЕННИЙ

Хоаіаз Хв, ■

СРЕДНИЙ

' Х,а,(1-аз) Хв, ■

ВНЕШНИЙ

Х,<1-а,)а

Х„(1-аХ1-а,)а2

Х«а-аХ1-а,Х1-а2)

| 1. Внутренний конус Ь

Р,ХВ1

(1-Р0ХВ1

I 2. Средний конус

РгХВ2

.(1-Р0ХВ2

(І-аі)аіХО

р,хвз

ХВ=(1-Р))ХВЗ

ХВ=Хвз

Рисунок 2 - Схемы организации материальных потоков в трёх конусных смесителях непрерывного действия центробежного типа.

Материальный баланс и система уравнений, определяющая корреляционные функции потоков, запишутся следующим образом:

Х1=ахХ0х(1-а0

Х2 = (1-а)х(1 - аі)ха2ХО+-ХОа,аз+ХВ1 ХЗ =(1-а)х(1 - аі)х(1 - а2)хХ0+Х0а,(1-а3)+ХВ2 1ХВ = ХВЗ.

(1)

(т) = а2 х (1 - ц )2 х Кхо (г), КХ2(т) = (\-а)2 х(\-аі)2у<с4хКХ0{т)+а^^Кхо(т)+Кш(т), (2)

^з(г) = (1-а)2х(1-а02х(1-а2)2х^о(г)+а12(1-а12)2Х'хо(Г)+^(г),

Яхв{г)=кхюіт)-

Рассмотрим влияние на величину сглаживания флуктуаций входного потока только процессов создания опережающих потоков и рециркуляции, т.е. допустим, что КХвАт) = Кх/т). Тогда система (2) запишется в виде:

'Кх\ (г) = а2х(1-а1)2х Кхо (г),

КХ2{т)=(\-а)2 х(1-а,)2 хог2 хКх0(т)+с^а^*Кхо(г)+К^(г), (3)

^(г)=(1-«)2 х(1-а1)2 х^-а,)2 х Кх0 (т)+а?(1-ап)2 Кх0 (г)+КХ2{т), Км(т) = Кп(т).

Решив систему (3) относительно Кхв(т), получим:

Кхв(т) = КХ0(т)х (1-2а+2а2-2а,+4ааі-4а2аі+2а2г2аа2і+ +2а2а2і-2а2+4аа2-2а2а2+4аіа2-8ааіа2+4а2аіа2-2а2іа2+

+4aa2ia2-2a2a2,a2+2a22-4aa2+2a2a22-4aia 2+8aa,a 2--4а2а1а22+2а12а22-4аа2,2а2+2а22а212а22-2а21аз+2а21а2з). (4)

Корреляционная функция стационарного процесса при нулевом интервале корреляции равна дисперсии а2х. С учётом этого уравнение (4) представим в следующем виде:

с2в = а2х0 * (1-2а+2а2-2а1+4аа1-4а2а,+2а2г2аа21+ +2a2a2i-2a2+4aa2-2a2a2+4aia2-8aaia2+4a2a1a2-2a2ia2+ +4aa2ia2-2a2a2ia2+2a22-4aa2+2a2a22-4aia22+8aaia22--4а2а1а22+2а12а22-4аа212а2+2а22а212а22-2а21аз+2а21а2з). (5)

Используя программно прикладной пакет «Mathematica», расчетным путем были определены значения коэффициентов а, соответствующие экстремумам (min) выражения (5). При а=0,4; а,=0,3; а?=0,2 и aj=0,l, получим ст^ =0,27сг^0, а

5 =

= 3,6. Поэтому, с увеличением рециркуляции, дисперсия выходяще-

го потока понижается, это подтверждает наличие у СНД сглаживающей способности.

Проведя подобный анализ оставшихся схем движения материальных потоков, получим отношение дисперсий на входе и выходе из смесителя. Для схемы «А»:

=х(«2 + 112""?2 х«2+а-/?2))). (6)

1-/Г х(1-а)

Для схемы «Б»:

OyR=cri

l-ß2

(7)

Для схемы «Г»: Д-Р

1 + Р3.......l + ß2 * ' 1 + ßi

=a2X0xilBlxKi-a^xil-e^+LAxa^ x(l-a,)2+^-xaf]. (8)

Результаты корреляционного анализа рассмотренных схем (таблица 1) показывают, что наилучшей сглаживающей способностью обладает смеситель, работающий по схеме «Г» (5=5,6), чем по схеме «А» (543,6).

Однако смесители, изготовленные по схемам «А» и «Б», требуют меньше затрат на изготовление и энергообеспечение, их целесообразнее применять для получения качественных смесей с соотношением компонентов 1:75 1:125. Смеситель по схеме «Г» больше подходит для смесеприготовления с соотношением исходных ингредиентов 1:100 + 1:400.

Таблица 1 - Результаты корреляционного анализа разнообразных схем материальных потоков в непрерывных центробежных смесителях

Схема «А» Значения коэффициентов а 0,3 0,4 0,25 0,35

Р 0,1 0,15 0,1 0,15

Результат 5 3,2 3,6 3,0 3,5

Схема «Б» Значения коэффициентов а 0,2 0,25 0,3 0,35

Р 0,8 0,75 0,7 0,65

Результат 4,5 3,5 2,8 2,3

Схема «В» Значения коэффициентов а 0,4 0,3 0,4 0,2

а, 0,3 0,4 0,3 0,5

а2 0,2 0,2 0,1 од

а3 0,1 0,1 0,2 0,2

Результат Б 3,6 3,5 3,5 3,2

Схема «Г» Значения коэффициентов а, 0,33 0,33 0,33 0,33

ОС2 0,5 0,5 0,5 0,5

Р,=Р2 0,05 0,10 0,15 0,2

Результат Б 3,5 4,1 4,9 5,6

Рассмотрим комбинированную схему организации движения материальных потоков «Д» (рисунок 3), где входной поток разделяется на три части, с последующим «попарным» их сложением на верхнем роторе и разбавлением полученной смеси, вновь поступившим входным потоком, на втором роторе (т.е. осуществляется метод последовательного разбавления смеси). Материальный баланс для этой схемы запишется следующим образом:

XI = аі х ХО

Х2 = (1-аі)ха2Х0 + ХВ1

ХЗ = (1 - аО х (1 - а2) х а3Х0 + ХВ2

Х4 = (1 - аО х (1 - а2) х (1-а3)ХО+ХВЗ < Х5=а5хХВ4

Х6=(1-а5)ха6ХВ4+ХВ5 . (9)

Х7= (1 - а5) х (1 - 01«) х ХВ4+ХВ6

Х8=ХВ7+ХВ8р ^ ХВ=ХВ8(1-Р)

Решая систему уравнений (9) при помощи пакета программ «ММетаНса», с учетом того, что Кх(0)=ст2, а значения коэффициентов: «/=0,25; а2=0,5; «5=0,25; «5=0,5;

0,25; /Н), 15 получим ст^в = 0.123ст^0 и 5 = 8,1. Значения сглаживающей способности рассматриваемой схемы с направленным движением материальных потоков в СНД центробежного типа приведены в таблице 2.

Таблица 2 — Результаты корреляционного анализа схемы движения

материальных потоков в смесителе «Д»

Значения коэффициентов Результат

а, СС2 а3 а, «б Р 5

0,25 0,15 од 0,5 0,25 0,15 5,7

0,5 0,25 0,33 0,5 0,25 0,15 6,8

0,25 0,5 0,25 0,5 0,25 0,15 8Д

0,33 0,33 0,33 0,5 0,33 0,15 8,6

Сравнение результатов анализа двух схем СНД «Г» и «Д» показало, что лучшей сглаживающей способностью обладает смеситель, работающий по схеме «Д». Однако, его применение ограничено и становится выгодным только для смесей с соотношением компонентов от 1:500 до 1:1000.

По результатам корреляционного анализа нами разработано одиннадцать новых конструкций центробежных СНД (на девять из них получены патенты РФ).

Для учёта влияния усреднения на сглаживающую способность смесителя используем известный оператор текущего (скользящего) среднего. Тогда корреляционная и дисперсионная функции, преобразованные по нему, запишутся в следующем виде:

Кхв(т)= |х? (1 -М)хКх(т-1)с11, (10)

т * т

Т J0 т 2 т

<Пв = ^2Х1 (T-T)xKx(x)dT. (11)

1 о

Например, для схемы «В» при а =0,4; «/=0,3; 0,2; аз=0,1 при условии, что входная функция корреляции запишется следующим образом:

КхоМ = &х0 х ехР ("Я х |г|) х cos (у/т ), (12)

где Я и у/- информативнее величины однородности изучаемого случайного процесса (находятся опытным путем).

Дисперсия выходящего усредненного потока равна:

<4 - 2«Т+ ехр(-ЯГ) -4^4) • (13)

хв (у/ + А )-Г Л2+у2

Для определения её величины используем результаты экспериментов, полученных на пищевой соде (таблица 3).

Таблица 3 - Значения функций корреляции

№ _ 2 <* 10 X

I 0,057 0,001 —

II 1,01 1,37 —

Ш 1,05 0,5 ...

IV 0,64 0,51 0,66

В случае, если пищевая сода подается в смеситель порционным дозатором, а сухое молоко - шнековым, то общая функция корреляции входного потока запишется:

KXo(-c)=0,64xexp(-0,51x|x|)xcos(0,66xT). (14)

Дисперсия усредненного потока, выходящего из смесителя, по выражению (13), будет равна:

а& = -2X0,644 0,5122-0,6692 ^ (15)

хв (0,5122+0,6692)х52 4 r v 0,5122+0,6692У v '

В свою очередь, отношения дисперсий и коэффициентов вариации потоков будут равны S = (<7хо/о^)=3,06 и Vxo/lx5 = 1,75 соответственно, где % = (V^/M(x)) X 100%; М(х) - средняя величина входящего и выходящего потоков изСНД.

Таким образом, флуктуации входных сигналов в смеситель, описанные в виде сложных непрерывно-гармонических колебаний, достаточно хорошо сглаживаются как с помощью рециркуляции и опережающих потоков, так и за счет их усреднения. За счет общего использования этих процессов дисперсия выходящего

потока, с учетом того, что (^1о/^в)общ=(0хо/0хв)рец X (о-|о/охв)уср, будет равна: а|в=0,088хст2о при а=0,4; а,=0,3; «2=0,2; аН),1 (схема «В»); а^^.ОП^^

при «/=0,33; «/=0,33; «^=0,33 «^=0,5; «й=0,33; >5=0,15 (схема «Д»), Например, если при дозирования материала, экспериментально найденный коэффициент неоднородности Ухгг^Л1%, то по зависимостям Ухв = 0,51* Ухо (Схема «В») и Ухв = 0,15хКж1 (Схема «Д»), получим Ухв = 2,11 % и ^=0,62 % соответственно, что свидетельствует о хорошем качестве получаемой смеси.

Следовательно, разработанная модель процесса смешивания в центробежном СНД с направленной организацией движения материальных потоков и учётом усреднения дает возможность определить качество смеси в смесительных аппаратах при различных схемах организации движения потоков.

В третьей главе рассмотрены новые конструкции центробежных смесителей. На рисунке 4 приведена конструкция одноконусного центробежного СНД. Его техническая новизна заключается в том, что поверхность конуса имеет волнообразную кромку, что способствует появлению дополнительного эффекта смешивания в пересекающихся потоках и позволяет значительно повысить интенсивность смешивания без дополнительных затрат энергии.

На рисунке 5 представлен смеситель, техническая новизна которого заключается в том, что на внутренней поверхности конуса установлены углообразные турбулизаторы, расположенные под разными углами к оси вращения, на внешней - закреплен рассеивающий диск, а на внутренней поверхности корпуса - перфорированные направляющие. Вследствие этого достигается увеличение времени пребывания смеси в роторе и улучшение качества конечного продукта.

Рисунок 4 - Центробежный смеситель с волнообразной кромкой ротора (Патент №2361653) 1 - корпус, 2 - крышка, 3 - загрузочный

патрубок, 4 - подшипниковый узел, 5 - вал, 6 - конус с волнообразной кромкой, 7 - диск ротора.

Рисунок 5 - Центробежный смеситель с углообразными турбулизаторами 1 - корпус, 2 - крышка, 3 - загрузочные патрубки, 4 - подшипниковый узел, 5 - вал, 6 - коническое днище, 7 - разгрузочный патрубок, 8 - ротор, 9 - углообразные турбулизаторы, 10-перфорированные направляющие, 11 - рассеивающий диск.

На рисунке 6 изображен общий вид центробежного смесителя диспергатора. Интенсификация процессов смешивания и диспергирования сыпучих компонентов, содержащих конгломераты, достигается путем многократного разрушения последних, за счет установки конического и диспергирующих ножей на роторе, что обес-

печивает равномерную загрузку конусов ротора, и позволяет проводить его на уровне микрообъемов и отдельных частиц.

На рисунке 7 изображены общий вид центробежного смесителя непрерывного действия, где за счет отражателей, в виде отдельных элементов тора, увеличиваются сглаживающая способность, интенсивность и эффективность протекания процесса смешения.

Рисунок 6 - Центробежный смеситель диспергатор (Патент № 2464078):

I - корпус, 2 - крышка, 3 - загрузочные патрубки, 4 - разгрузочный патрубок,

5 - подшипниковый узел, 6 - вал, 7 - диск ротора, 8 - внутренний конус, 9 - средний конус, 10 - внешний конус,

II - конический нож, 12 - диспергирующие ножи, 13 - разгрузочные лопасти.

Рисунок 7 - Центробежный СНД (Патент № 2455058): 1 - корпус, 2 - крышка, 3 - загрузочные патрубки, 4 - разгрузочный патрубок, 5 - подшипниковый узел, 6 - вал, 7 - диск ротора, 8 - внутренний конус, 9 - средний конус, 10 - внешний конус, 11 - конический нож, 12 - диспергирующие ножи, 13 - разгрузочные лопасти.

На рисунке 8 представлена конструкция СНД центробежного типа с организацией движения опережающих потоков за счёт того, что на направляющем устройстве имеется два ряда отверстий. Увеличение эффективности достигается за счёт наличия над внутренним и средним конусами направляющих колец, позволяющих направлять сыпучую смесь, сходящую с конуса к основанию следующего.

На рисунке 9 представлен центробежный СНД для приготовления сыпучих смесей с сильно различающейся дисперсностью частиц и с возможностью ввода жидкой фазы. Повышение эффективности процесса достигается вследствие распыления жидкой фазы в тонкослойный поток сыпучих компонентов и их смешивания в два этапа.

В четвертой главе рассмотрены вопросы математического моделирования смесительных агрегатов (СА) с использованием методов технической кибернетики и теории автоматического управления. В этом случае СА можно представить в виде системы, с известным движением материальных потоков, подвергаемой

Рисунок 8 - Центробежный СНД (Патент №2207186): 1 - корпус, 2 - направляющее устройство, 3 и 4 - отверстия, 5 - крышка, 6 - загрузочные патрубки, 7 - днище, 8 - разгрузочный патрубок, 9 - вал, 10 - лопасти, 11 - рассеивающий диск, 12, 13 и 14-конуса, 15 - перепускные окна, 16 - отражатели.

Рисунок 9 - Центробежный СНД (Патент №2191063): 1 - цилиндрическая обечайка, 2 - направляющая воронка, 3 - крышка, 4 - загрузочные патрубки, 5 - патрубок для подачи жидкой фазы, 6 - днище, 7 - разгрузочный патрубок, 8 - приёмно-распределительное устройство, 9 - отверстия распределительного устройства, 10, 11 - направляющие полые конуса, 12 - вал, 13 - диск для распыления жидкой

фазы, 15 - диск ротора, 16 - разгрузочные лопасти, 18 - внутренний конус, 19 - внешний конус.

определенным внешним воздействиям. На рисунке 10 представлена его функционально-структурная схема (ФСС для получения многокомпонентной смеси по методу последовательного разбавления. На схеме обозначены параметры материало-потоков в виде мгновенных расходов Х(г) и масс веществ Для его осуществления потоки материалов с массой 0,(1$) и (¿(¡¡(О и концентрацией ХсЬ (О кХй2(1) подаются на суммирующий элемент (СЭ0. Далее суммарный поток с параметрами ХЛаО) и поступает в СНД,. На СЭ2 подается смесь с массой ()ш0) и концен-

трацией Хш(Ь> выходящая из СНДЬ и поток материала, поступающий из спирального дозатора Дз с параметрами Хс13(0 и Qd3(t). В итоге в СНДг поступает масса материала с концентрацией Хш(1)+ Хс!^), а выходит из него смесь с параметрами 0м2(0 •яХМ2(1).

Рисунок 10 - Структурно-функциональная схема исследуемого смесительного агрегата.

Двухступенчатый СА содержит два блока дозаторов, обладающих определёнными импульсно переходными характеристиками (ИПХ) (ЖдБ1(Б) и ЖдБ2($)), формирующими сигналы различного вида и работающих параллельно на СЭ[ и СЭ2. Основными элементами схемы являются центробежные СНД с ротором в виде трёх И ОДНОГО ПОЛЫХ усеченных конусов и Игсш(3)).

Воспользовавшись законами преобразования структурных схем, приведем выходной сигнал смесительного агрегата в операторном виде (1Уса@Л:

^саоо = кбісо x wcm.cs) + и/дб2(5)] х жсм2(я (16)

где И^ДБ1(5) и НдБ2(5) - ИПХ первого и второго блоков дозаторов; 1УСМ1 (5) и 1УСМ2 (51) - передаточные функции (ПФ) смесителей первой и второй ступеней.

В первый блок дозаторов входят спиральный и порционный. При формировании сигнала спирального дозатора колебания подачи компонента (Хл(ф происходят по синусоидальному закону со средним значением Хм и амплитудой Х^/ во временной форме:

= (17)

Преобразование Лапласа данного сигнала из временной формы в операторную, даёт следующее выражение:

(18)

О О +

где Хт - величина постоянного расхода дозируемого компонента спираль-ньш дозатором; ХЛт1, оэш - амплитуда и частота флукіуаций.

При формировании сигнала, типа «прямоугольная волна», порционного дозатора Х<і2(0 воспользуемся Фурье - разложением десятого порядка, которое во временной области представлено следующей функцией:

2

10 ґ . 2кл „ . 2кп

лк2 ХСОв-( + Вк2 ХЗШ-1

Т,п ТА

(19)

Преобразование Лапласа этого сигнала даст следующее выражение:

л2 | . в,

25 Й52+Й)!

ад=е ++тЗ1) - (20)

где сок2=:2пк/ТС12 - частота к-й гармоники порционного дозатора; Т^ - период его пульсаций; А02, Аы, Вк - коэффициенты Фурье-разложения сигнала; к - номер гармоники порционного дозатора.

Тогда, с учетом (17) и (19), суммарный сигнал \УдБ1(5) в операторной форме будет равен:

(21)

£ Б'+со^ 25 " + 5!+<

Во второй блок входит спиральный дозатор. Его сигнал, во временной и операторной формах, равен:

= (22)

X X хсо 5 о + со..

Для количественного анализа функционирования работы СНД их динамические характеристики аппроксимировались апериодическими звеньями первого или второго порядков:

(24) = _ (25)

Т'х 5 + 1

где К - коэффициент передачи (К=1); т\ и Г/ - постоянные времени (для первого и второго СНД), характеризующие временной интервал, за который концентрация падает от максимального значения до, практически, нулевого; Т2 - постоянная времени, характеризующая период достижения максимальной скорости изменения выходной концентрации смеси в переходном режиме с импульсным дозирующим воздействием; т- интервал запаздывания.

Подставив ИПХ всех блоков и ПФ аппаратов, входящих в состав смесительного агрегата (21), (23), (24) и (25) в (16), получим:

Кхе

X X хсо А а . А х5 в, хсо с "' і —^-и-л—^ +у(——--(- —із-—)) х

К Б Г+а>'. 25 «5'+®' 5'+®'"

, Кхе' Т'х 5 +1

(26)

х_I , Хму.Ю„

^Т^хБ'+ТхБ + Х 5 + < .

Полученная модель описывает процесс смешивания сыпучих компонентов при последовательном разбавлении смеси.

Для рассмотрения модели в пространстве состояний переведём структурно-функциональную схему (рисунок 10) в блочную струюурную (БСС), звенья которой заданы в виде ПФ (рисунок 11). БСС отличается от предыдущей тем, что входные сигналы блока дозирующих устройств первой и второй ступеней замещены параллельными виртуальными звеньями, подключенными к входу соответствующих смесителей.

Полученные передаточные функции (21, 23 и 26) преобразуем в соответствующие им дифференциальные уравнения.

Рассмотрим первое слагаемое уравнения (21) нием функции у,(0, т.е. = Умножив обе части уравнения на 5, с

учётом того, что 5х}; ->>>,, получаем дифференциальное уравнение у1 = Хллхи{(). Аналогичным образом, преобразовав остальные звенья (слагаемые), получим сис-

Рисунок 11 - Блочно структурная схема смесительного агрегата.

X

—и(<), которое является изображе-5

тему дифференциальных уравнений (27) в которой у>(0, у2(0, Уз((), у40 ■■ ■■ УгзО) ~ внутренние сигналы, характеризующие работу соответствующих ПФ, находящихся в звеньях БСС. Причём уі(1) и у ¡(і) составляют в сумме сигнал, формируемый спиральным, ауз(і), у/і) .... у2з(0 - порционным дозаторами, входящих в первый блок. Сигналы У2і(і) и У2б(0 формируют спиральным дозатором второго блока, ^/^соответствует сигналу, выходящему из СНД первой ступени, а у(0 - из смесителя второй ступени или из СА в целом.

Для решения системы (27) понизим порядок дифференциальных уравнений путём замены переменных.

«г, «>.(-)■

Л 2

х "(о

¡1 * ).(') » -<1

і д Уч С) . „,г „ „

-Гг—+ * ''

«) ■

' '/'і'" + " Уб(» - Л2 х «(»)

1 'у ,(>)

Л ' і 'у,С) Й 1 << ' ■>.(<)

4®і, х 7,(0 > 2,8, .

(27)

+ х 7,(1) - Л, х в(1)

+ х >■,(() = 3«, х шд

' '"Л{П * "ГС »¿2Х ,„(<>-

' ули) * 1оо «г, х (о - ю »,„

т,"1'"'"'* Гі — 1 й 1 1 і

А г » и «) .

С)

+ ^24 (I) ' Кт р у, У и (О 3 X "(О

•"Оо] X 1/(0 + у(1) =. їт (у„ (I) + (!) + (г))

Л«) '

ш *з(0

й< 0 х4(0

о = *2*-з(0

л(0

У2б(0 *49(')

Ыо Ло(0 ,

_(28) (£ = 4^5)

Такое преобразование позволило записать систему дифференциальных уравнений (29), описывающих поведение смесительного агрегата с сигналом порционного дозатора, имеющим п гармоник разложения Фурье, с начальными условиями Х(Со) = о (; = Гбо).

Необходимо отметить, что сигнал у(1), действующий на выходе из второго СНД центробежного типа, согласно (28), связан с переменной состояния х4„+10 (0 зависимостью: >>(() = х4л+10 (0, которая является уравнением выхода для рассматриваемого смесительного агрегата.

і2Є) = *з(0

х3(0 = -(»І! X Х2(0 + X „(І)

*44 + і(<) = *4і + 2«) (*=І7^)

*ік*г(') = -кг х*«+і(')+ Ак *"<■') Є)

¿44*4(0 = -к2 X <¡>¿2 X *4, + 3 0) + кВк X X н(<)

*4„*5«) = *4л+бС)

*4.+б(0 = ^Г <*1 С) + *2 (') + *<(')+ Е *2»+3 (О) "

• (29)

- *4» + і (') - ГТХ *4»+6 (О

Г2 '2

І4л + 7(0 = *4п*і0)

І4» + 8(0 = "®Із **4л + 7(<) + * <»¿3 х"(')

*4« + 9(')= *«(<)

І4. + 10 (О = ^Гг(*4„ + 5 (О + *4» + 7 (') + *4„+9 (')) " * *4П+10 О Г, 11

Полученная модель в пространстве состояний (29), включающая в свой состав информацию о формировании потоковых сигналов в блоках дозирующих устройств, позволяет отслеживать их флуктуации параллельно (в течение одной процедуры расчёта) выходному сигналу, прошедшему через первый СНД и отбираемому на выходе из второго смесителя.

Аналогично смоделируем работу СА, включающего в свой состав СНД, работающий по методу последовательного разбавления смеси (рисунок 12). В отличие от ФСС и БСС (рисунки 10 и 11) исследуемый агрегат состоит из одной оригинальной конструкции центробежного СНД.

Рисунок 12 - Струкіурно-функциональная схема исследуемого смесительного агрегата.

Проведя подобный анализ, получим кибернетическую и дифференциальную в пространстве состояний модели смесительного агрегата.

\Л7 ГХаоі . , Ар , ^ю ( АкХБ ВкхШі1Л

М^СА® - [— + ІГ^ІГ + Й + 1к=15'+»52) +

■ Хатз , ХдтзХьМз] Кхе~тБ И0)

Э Б2+(о^з \ Т^+Т^З+І ' 4 '

¿,(0 = -«01 ■»(')

х2(()= *1(»)

*зО = -0>1гх2и) + Лл, -Шг, МО

¿«♦|(0 = *4»ч(0 (* = й0)

*45 С) = *46 С)

-<»¿1 14!(')+ ■<"<13 "О

¿47 (О = -^¿03 "О (31"\

22

О = уГ<х'С>+ *'(» + *<<'> + Е'"«''11"

'г 'а _

с начальными условиями £¡(0) = 0 (г = 1,49).

Полученные модели описывают процесс смешивания сыпучих компонентов по методу последовательного разбавления смеси, как с использованием двух последовательно установленных СНД, так и с одной оригинальной конструкцией.

В пятой главе приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований, направленных на повышение эффективности и интенсивности смешения сыпучих и увлажненных компонентов.

Повышение эффективности процесса смешивания достигается: 1 - за счет выбора оптимальных режимов работы новых СНД; 2 - модернизации действующих деталей смесителей, как по устройству, так и механизму смешивания исходных компонентов; 3 - организации внутренних рециклов движения потоков в рабочем объеме, позволяющих увеличивать его сглаживающую способность.

Увеличение интенсивности процесса осуществляется за счёт использования аппаратов нового поколения, работающих по методу последовательного разбавления смеси при соотношении смешиваемых компонентов от 1:100 до 1:1000 и выше; совместного осуществления процессов смешивания и диспергирования в одном аппарате; создания центробежных смесителей с возможностью введения малых количеств жидких добавок в смешиваемую массу.

Для проверки предложенного нами технического решения (Пат. №2361653) были проведены эксперименты по определению качества бинарной смеси в зависимости от конфигурации ротора, верхняя часть которого имела прямую или волнообразную кромки (рис. 4).

В ходе экспериментов использовались следующие основные компоненты: сухое молоко, сахар-песок, речной песок и мука; в качестве ключевого - высокодисперсный ферромагнитный порошок. Частота вращения ротора СНД была принята равной п = 12.5 с"1. Соотношение смешиваемых компонентов варьировалось в диапазоне С = 1:75 1:125. Результаты эксперимента приведены в таблице 4. Из таблицы видно, что наличие волнообразной кромки у ротора позволяет снизить значения коэффициента неоднородности на ® 3,5 4 %, во всем диапазоне изменения концентраций ключевого компонента.

Нами исследована модернизированная конструкция центробежного смесителя (рис. 5). Был проведен ПФЭ З3, в ходе которого варьировались следующие параметры: количество углообразных турбулизаторов Ь в диапазоне (4-И 2 шт.), частота

Таблица 4 - Зависимость значений коэффициентов неоднородности от

конструкции ротора и соотношения смешиваемых компонентов

Основной компонент смеси Соот. Ус, %

смеш. Ротор с пря- Ротор с волнооб-

ком-в мой кромкой разной кромкой

Песок речной - ферромагнитный порошок 1:125 16,32 15.74

1:100 14,27 13,77

1:75 10,14 9.74

Сахар - ферромагнитный порошок 1:125 19,74 18.95

1:100 17,96 17,33

1:75 14,35 13.84

Сухое молоко - ферромагнитный порошок 1:125 14,21 13,64

1:100 13,54 13.06

1:75 12,01 11,52

Мука - ферромагнитный порошок 1:125 15,14 14,53

1:100 12,72 12.27

1:75 9,89 9.52

вращения ротора п — (750г950 об/мин), соотношение смешиваемых компонентов С - (1:75-=-1:125). Получены следующие уравнения регрессии.

Для смеси соль - манная крупа:

Vc=67,34+83,63С-0,11 n-2,99h+0,00006n2+0,14h2, (R2= 87%). (32)

Для смеси сахар — пшено:

Vc= 47,52-760,98С-0,31 h-13,7Ch+4781,4C2+0,07h2, (R2= 89%). (33)

Для смеси мука - йод:

Vc= 27,94-447,42С-0,18h-8,06Ch+2811,6С2+0,04h2, (R2= 89%). (34)

Рассмотрим две графические зависимости коэффициента неоднородности от соотношения смешиваемых компонентов и числа углообразных турбулизаторов (рисунок 13). Анализ полученных графических интерпретаций показывает, что количество углообразных турбулизаторов А = 12 оказывает наибольшее влияние на коэффициент неоднородности Ус. Смесь лучшего качества получили при частоте вращения ротора 850 об/мин., количестве углообразных турбулизаторов 12 и соотношении смешиваемых компонентов 1:75.

Нами исследована эффективность работы смесителей, ротор которых состоит из трех конусов и конструктивных элементов, создающих различные варианты направленного движения смеси.

Для проектирования перфорированного направляющего устройства смесителя (рисунок 8) необходимо определить рациональные значения коэффициента распределения а по отношению к ширине окон Ь. Промежуточное изучение а показало, что для интенсификации смешивания в центробежном смесителе необходимо, чтобы исходный материал разделялся на три части. Первая и вторая через верхние и нижние окна 20 -т- 25 % и 30 ч- 35 % соответственно, а третья сквозь центральное отверстие 40 ■*■ 50 %. Это может быть достигнуто, если отношение ширины верхних

Соотношение смешиваемых компонентов

Количество углообраз-ных отражателей, шт

Соотношение смешиваемых компонентов

Количество углообраз-ных отражателей, шт

а) б)

Рисунок 13 - Зависимость коэффициента неоднородности от соотношения смешиваемых компонентов и числа углообразных турбулизаторов для смесей: а) соль - манная крупа; б) сахар - пшено

окон Ь к длине перемычек между ними к будет в пределах 0,38 + 0,42, а отношение нижних к к составит 0,8 -н 0,85.

Данное исследование проводилось при фиксированных отношениях Ь/Ь и различных частотах вращения распылительного диска. Результаты представлены в таблице 5.

Таблица 5 - Эмпирические значения коэффициентов распределения

Отношение Ь/к п,с' Значения коэффициента распределения а, %

Песок Сухое молоко Пшено Соль Сахар Манка

0,4 11,66 63,4 62,1 63,2 62,8 62,7 63,2

13,33 62,4 63,2 63,1 62,6 62,5 63,0

15 62,8 63,1 63,2 63,1 62,9 63,1

0,83 11,66 67,5 67,8 67,7 67,6 67,5 67,4

13,33 67,3 68,1 67,4 67,9 67,8 67,1

15 66,4 67,2 67,5 66,7 67,6 67,3

Разработанные нами конструкции СНД (рисунки 6-9) имеют ротор с тремя полыми усеченными конусами с целью определения рациональных параметров их рабочего органа (ротора) был проведен многофакторный эксперимент. В ходе которого изменялись: меж конусное расстояние к от 10 до 35 мм, частота вращения ротора п от 10 до 15 с"' и угол наклона конусов а от 35 до 50 град. Получены уравнения регрессии, описывающие вид и степень влияния изучаемых параметров на коэффициент неоднородности Ус.

Для смеси речной песок - ферромагнитный порошок:

Ус = 249,99+0,64хп2-19,68хп+0,014хЬ2-3,46хЬ+0,02ха2-1,42ха. (35)

Для смеси сахар - манка:

Ус= 151,3+0,38хп2-11,81хп+0,008хЬ2-2,02хЬ+0,011ха2-1,9ха. (36)

Для смеси пшено - поваренная соль:

Ус= 217,3+0,24хп2-6,81хп+0,025хЬ2-2,25хЬ+0,051ха2-5,6ха. (37)

Поверхность отклика, описываемая расчетным регрессионным уравнением (36), представлена на рисунке 14.

Анализ данной графической интерпретации показывает, что лучшее качество смеси достигается при углах 45 град для среднего конуса и 50 град для внутреннего при расстоянии между ними 15 мм, уменьшение которого приводит к значительному увеличению Ус вплоть до 20 %.

Исследовалось влияние рециркуляции и концентрации ключевого компонента на качество смеси. Рециркуляция на роторе нового центробежного СНД (Пат. № 2455058), осуществлялась при помощи отражателей, обеспечивающих возврат части материала внутри конусов.

В качестве основных компонентов использовались: сухое молоко, сахар-песок, речной песок, а ключевого - высокодисперсный ферромагнитный порошок, объёмная концентрация которого варьировалась в пределах 0,25 6 %. Эксперименты проводились при п = 12,5 с"1.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что центробежный СНД новой конструкции при соотношении исходных компонентов 1 : 100 получает смеси хорошего качества. Применение рециркуляции на каждом конусе ротора СНД позволяет улучшить качество смеси на я 3 -г 3,5 %, при любой концентрации (в рамках исследования) ключевого компонента.

В ряде производств возникает потребность получения высококачественных смесей из компонентов, которые в процессе смешения образуют мелкие конгломераты из однородных частиц. Последние вызывают ухудшение качества смеси. Для решения данной проблемы была разработана оригинальная конструкция смесителя диспергатора (рисунок 6). С целью проверки предложенного нами технического решения (Пат. № 2464078) были проведены исследования его удельных энергетических затрат и степени влияния частоты вращения конического ножа и режущих кромок диспергирующих ножей на конечную дисперсность смеси.

В исследованиях использовались: крупа манная, сухое молоко, пшено, поваренная соль, сахар - песок. Частота вращения конического и диспергирующих ножей изменялась в диапазоне от 6,5 до 14,5 с"1, а скорость подачи материала в смеситель - диспергатор ограничивалась следующими пределами 300 ^ 800 кг/час. Для решения первой задачи определили удельные энергозатраты Эу, численные значения которых находились в диапазоне 0,14 + 0,55 кВт-ч/м . Анализ полученных данных показал, что значения Эу для различных материалов находятся практически рядом друг с другом и возрастают по мере увеличения частоты вращения ротора. В таблице 6 приведены основные характеристики для оценки эффективности использования смесителя диспергатора и существующих конструкций.

Из таблицы видно, что при одинаковой производительности центробежных СНД, удельные энергозатраты в нового смесителя ниже «1,5 раза.

Таблица 6 - Сравнительные характеристики СНД центробежного типа

Тип смесителя Производи тельность, м3/ч Удельная материало емкость, т-ч/м3 Эу, Вт-ч/м

СНД (а.с.1389156) 0,64 0,46 1,1

СНД (а.с. 1278236) 0,64 0,46 0,89

СНД (а.с. 1546120) 0,64 0,219 0,7

СНД новой конструкции (Патент №2464078) 0,64 0,219 0,58

Для определения диспергирующей способности нового СНД были замерены средние диаметры частиц исследуемых компонентов <1о (600 + 1200 мкм) до и после выхода из аппарата й (300 -5- 800 мкм). Анализ полученных данных показывает, что дисперсность частиц материала Ш0, при вращении конического и диспергирующих ножей от 9 до 13 с"1 практически не меняется, а при п = 15 20 с" достигается уменьшение исходных размеров частиц в 1,2 ч- 2 раза.

В случае, когда размеры частиц ключевого компонента по отношению к другим отличаются до 40 раз, а их соотношение в смеси составляет 1:400 и более, последняя при длительном хранении подвергается сегрегации. Для уменьшения этого явления целесообразно предварительное измельчение компонентов смеси, с целью сближения размеров смешиваемых частиц или ввода в смесь небольшого количества жидкости различной вязкости (сиропы, экстракты и т.д.). Нами предложено осуществлять выше перечисленные процессы в новом аппарате (Пат. № 2191063), обладающим высоким интенсивным механическим воздействием рабочего органа на материал. На данном СНД (рисунок 9), с целью определения влияния на качество смеси соотношения размеров частиц основного и ключевого компонентов 0=с1с/с1к, количества вносимой влаги С, % и её вязкости ц, мПахс, спланирован и реализован полный факторный эксперимент. В качестве ключевых компонентов использовались витамины (А, Б3, В), В2, В3, В5, Ви), входящие в смесь в меньшем количестве.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что исследуемый СНД получает смеси хорошего качества при В = 10, количестве вносимой влаги С = 4 % и её вязкости, варьируемой от 40 до 70, мПахс, поскольку Ус не превышал 6-5-7 %. В остальных случаях качество смеси можно считать удовлетворительным (Ус = 8 ■*■ 11 %). Уравнение регрессии, отражающее степень воздействия выбранных параметров на качество смеси имеет вид:

Ус=-118,94-1,473><С-0,19x0-0,016хц+0,095хСхЕН-

+0,006хСх)1+1,43хС2-Ю,075х02+0,032хц2. (38)

Для сравнения эффективности работы смесительного оборудования были использованы два центробежных смесителя: первый - СНД с организацией движения опережающих потоков смеси на каждом конусе (рисунок 8); второй СНД для приготовления сыпучих смесей с небольшими добавками жидкости (рисунок 9).

Полученные результаты свидетельствуют о том, что центробежные СНД получают смеси хорошего качества при соотношении компонентов до 1 : 100, поскольку значение коэффициента Ус смеси при этом не превышало 6-5-7%. При соотношении же компонентов в диапазоне 1 : 100 -г-1 : 400 качество смеси было удовлетворительным (Ус « 9-5-10 %). Добавление в смесь небольшого количества влаги 4 % с

вязкостью 50 мПахс, позволило на втором смесителе получить смесь лучшего качества по отношению к первому на 1,8 -=- 2,2 %.

Для получения качественных смесей с соотношением компонентов порядка 1:500... 1000 разработаны два смесительных агрегата (СА). Первый (рисунокЮ) включает в свой состав два последовательно соединенных смесителя (рисунки 8 и 5). Второй (рисунок 12) оригинальную конструкцию СНД (Пат. № 2207901), работающую по методу последовательного разбавления смеси. С целью определения эффективности их работы проведены эксперименты по определению качества смеси в зависимости от соотношения смешиваемых компонентов 1:600 1:1000 и частоты вращения ротора 10 -=- 15 с1. Результаты представлены в виде гистограммы (рисунок 15), из которой видно, что использование смесителя новой конструкции позволяет улучшить качество смесей на 8 -г 10 %. Это свидетельствует о его преимуществах по сравнению с агрегатом, состоящим из двух последовательно соединенных аппаратов. В целом можно отметить, что СНД, работающий по методу последовательного разбавления смеси, позволяет получать смеси удовлетворительного качества во всем диапазоне исследуемых факторов (Ус = 7 -г 12%).

Нами получено универсальное регрессионное уравнение, описывающее влияние технологических и режимных параметров СНД на качество приготавливаемых смесей.

Ус = 0,004><п2+ 12,3хсхп+347944хс2+6814,7-97225хс-2,13хп, (Ы2= 94 %). (39)

Оценка эффективности двух СА представлены в таблице 7. Таблица 7 - Основные характеристики СНД центробежного типа

Тип смесителя Производительность, м3/ч Удельная материалоёмкость, т-ч/м3 Удельные энергозатраты, кВт-ч/м3

Новый СНД Пат. № 2207901 0,64 0,39 0,89

Два последовательно соединенных СНД Пат. № № 2207186, 2361653 (рис. 8 и 5) 0,64 0,51 1,27

СМ-АК СМ-АК МП-АК МП-АК С-М2 ОМ П-ПС2 П-ПС 2 СНД Новый 2 СНД Новый СНД Новый СНД Новывй СНД СНД СНД СНД

Рисунок 15 - Сравнительная оценка качества смесей, полученных на двух последовательно работающих СНД и СНД новой конструкции: смесь сахар манная крупа С-М; смесь пшено поваренная соль П-ПС; смесь сухое молоко аскорбиновая кислота СМ-АК; смесь мука пшеничная аскорбиновая кислота МП-АК.

Из таблицы видно, что при равной производительности удельные энергозатраты нового смесителя ниже на 30%.

В шестой главе приводятся результаты идентификации параметров математических моделей смесительных агрегатов. Проведено исследование первого СА (рис. 10), работа которого осуществлялась при частоте вращения роторов СНД равной

10 с"1. С помощью программы «Math CAD» определили отношение амплитуд входного и выходного сигналов на первой ступени CA, представленные на рисунке 16.

Для примера, подробно произведём расчёт сглаживающей способности S (со) СНД при п= 10 с. Вычислим амплитуду выходного сигнала из смесителя по формуле:

^■вых _ xdoaX~xdon _ 6.799-6,658 _ q qj

Далее находим': R(où) = ^^ = = 0,01, а по ней рассчитываем сглажи-

Xdo 6,728

вающую способность СНД: S(a>) = ^^ — ^ = 95,8.

(40)

Y(t), 8 м

г/сек 7 ,

6.S

6.5 6.2 5.9

5.6 5.3

5

» h »»

$ • І s

* « / % • ъ

» 1

! \

; » $ t • ; » •

•

t f і * »

38

t. сек

Рисунок 16 - Отклик системы на входной сигнал первого блока дозаторов: отношение амплитуд входного (--) и выходного (-) сигналов.

I, сек

Рисунок 17 - Отклик системы на входной сигнал первого СНД и второго блока дозаторов: отношение амплитуд входного (--) и выходного (-) сигналов.

Аналогичным образом определяли сглаживающую способность смесителя (рисунок 8) при частоте вращения ротора 12,5 и 15 с"1, полученные результаты сведены в таблицу 8.

Таблица 8 - Сглаживающая способность смесителя первой ступени

n,c-' VBX Adm YBblX Adm S(co)

10 1,202 0,07 95,8

12,5 1,202 0,057 118,5

15 1,202 0,058 116,5

Далее на выходной сигнал из СНД первой ступени накладывается сигнал второго блока дозаторов, в результате этого его амплитуда и численное значение импульсной переходной характеристики (СНД первой ступени и блока дозатора второй ступени) увеличиваются. На рис. 17 приведено отношение амплитуд входного и выходного сигналов, полученных на втором СНД (рис. 5).

СНД центробежного типа второй ступени является конечным звеном, следовательно, его выходящий сигнал у(1) можно считать выходным импульсом всего исследуемого СА.

Для дальнейшего анализа произведём расчёт 5 (со) СНД второй ступени при п = 10 с"1. Для этого вычислим амплитуду выходного сигнала из смесителя по фор-

муле: х|ь'х - ХУ°аХ-хГо'" = 12,294 12Д44 = 0,075. Далее находим: =

2 2 Хдо

— = 0,00613 и 5(0)) =-}— = —— = 162,9.

12,16 4 ' К(ш) 0,00613

Сглаживающая способность смесителя второй ступени и его ПФ на частотах вращения ротора 12,5 и 15 с"1, сведены в таблицу 9.

Таблица 9 - Сглаживающая способность смесителя второй ступени

П,с' Первый смеситель и второй блок дозаторов Второй смеситель или СА

увх Лат увых Лат БСш)

10 0,189 0,075 162,9

12,5 0,187 0,109 111,5

15 0,182 0,109 111,6

Аналогичным образом проводили анализ второго С А (рисунок 13). Полученные результаты представлены в таблице 10.

Таблица 10 — Сглаживающая способность смесителя

п,с"' увх лат увых лат БСю)

10 1,46 0,014 900

12,5 1,46 0,01 1224

15 1,46 0,012 1001

При помощи графиков (рисунок 18) сравним значения сглаживающей способности смесителя, работающего по методу последовательного разбавления смеси (штриховая линия), и двух последовательно установленных аппаратов (сплошная линия) при получении различных смесей.

Из графика видно, что на всех исследуемых смесях СНД (Пат. № 2207901), работающий по методу последовательного разбавления смеси (входящий в состав второго СА), во всем диапазоне частот вращения ротора, сглаживает пульсации входных материальных потоков в два раза лучше по отношению к двум последовательно установленным центробежным аппаратам.

Результаты исследования сглаживающей способности 5э нового СНД сопоставили с их расчетными значениями, полученными по разработанной математической модели Бм (31). Затем, для всех исследуемых смесей оценили относительную погрешность А, % теоретических и экспериментальных данных, значения которой представлены в таблице 11.

1» 19

Рисунок 18 - Значения сглаживающей способности смесителей.

Таблица 11 - Сопоставление теоретических и экспериментальных данных сглажи-

вающей способности нового СНД

и, с" SM 5э А,% л, с1 Sm s3 А,%

Смесь сахар - пшено Смесь соль - крупа манная

10 2654 2509 5,46 10 1326 1364 2,86

12,5 3275 3001 8,36 12,5 2385 2623 9,97

15 2334 2504 7,28 15 4762 4538 4,70

Смесь мука в/с - йодид калия Смесь речной песок - ферромагнитный

10 873 900 3,09 10 1668 1575 5,57

12,5 1178 1224 3,90 12,5 1897 1817 4,21

15 957 1001 4,59 15 2128 2216 4,13

Из таблицы видно, что адекватность теоретических и экспериментальных данных составила в среднем 5,34 %.

В седьмой главе приводятся результаты опытов по определению направления составляющих скорости воздушного потока внутри рабочей камеры смесителя при различных частотах вращения и конструкциях ротора.

На частицы смешиваемых компонентов, наряду с центробежной, действует еще и сила аэродинамического сопротивления воздуха, которая вовлекает их в движение, образуя сильные пылегазовые потоки. Это явление в итоге приводит к нарушению предусмотренных в конструкции аппарата направлений движения материа-лопсжжов и другим нежелательным эффектам, например, к сегрегации получаемой смеси, ключевой компонент которой содержит частицы порядка (8СИ-200 мкм).

При вращении ротора, вследствие сил трения, начинает свое движение пограничный слой воздуха, который под действием сил инерции движется от его центра к периферии. Скорость движения воздуха можно разложить на три составляющие: окружную Wok, радиальную Wp, и осевую Woe.

В исследованиях по определению значений составляющих скорости воздушного потока были использованы конуса различных модификаций. Замеры проводили при частотах вращения ротора: 10 и 24 с"1 в точках, показанных на рисунке 19. Максимальное значение окружной составляющей скорости на конусе с углооб-разными турбулизаторами получено при частоте вращения ротора Юс'. Она больше на 20%, 2% и 10 %, соответственно, по отношению к Woe измеренной на модификациях (а), (б) и (в). При частоте вращения ротора 24 с'[ максимальное значение Woe достигается при использовании модификации ротора (г). Её скорость больше на 12 %, 8% и 7% по отношению к Woe замеренной на модификациях (а), (б) и (в).

Радиальная составляющая скорости воздушного потока на частоте вращения

а б в г

Рисунок 19 - Модификации конусов: а) конус с пропускными окнами и лопастями; б) конус с пропускными окнами; в) конус с пропускными окнами и волнообразной верхней кромкой; г) конус с углообразными турбулизаторами.

ротора 10 с"1 на конусе с углообразными турбулизаторами больше на 3 %, 1% и 17%, чем Wp измеренные на модификациях (а), (б) и (в). При частоте вращения ротора 24 с"' Wp достигает максимального значения на гладком конусе с углообразными турбулизаторами. Она больше на 20%, 13% и 16% по отношению к скоростям воздушных потоков в радиальном направлении на модификациях ротора (а), (б) и (в), соответственно.

При достижении значений окружной составляющей скорости в диапазоне 0,4 н-1 м/с, наблюдается частичное вовлечение высокодисперсных компонентов в воздушное пространство над рабочей камерой. Дальнейшее её увеличение до 3,5 м/с приводит к тангенциальному движению пылевоздушных потоков (с диаметрами частиц 80 + 120 мкм) над ротором СНД и возникновению процесса сегрегации, снижающей эффективность смешивания. Особенно ярко эта картина наблюдается на модификации ротора в виде конуса с углообразными турбулизаторами, которые создают дополнительный вентиляционный эффект, усиливающий скорость пылевоздушных потоков. Поэтому для его устранения и увеличения эффективности смешивания целесообразно установить направляющие или отражательные элементы, способствующие направлению высокодисперсных компонентов к основанию ротора.

Результаты экспериментов показали, что самые низкие величины составляющих скорости воздушных потоков приходятся на центр ротора. Экспериментально установлено, что в центре ротора образуется застойная зона. Д ля её устранения нами предложено: выполнить основание ротора в виде диска, с концентрично установленным полым конусом, обращенным вершиной вверх; установить над конусом осевой вентилятор (Пат. РФ № 2216391) или отражатель с торообразной поверхностью (Пат. РФ № 2200055), либо конусный диффузор, направляющий турбулентные вихревые потоки к основанию ротора. Данные конструктивные решения позволяют организовать направленное движение высокодисперсных пылегазовых материалопотоков в рабочей камере новых смесителей и снизить Vc на 2,5 4,3 %.

В восьмой главе рассмотрены примеры реализации новых конструкций эффективных СЕД центробежного типа в различных технологических схемах предприятий Кузбасса, при производстве витаминизированной и йодированной мучных смесей, сухих посолочных композиций, строительных штукатурных смесей, сухих комбинированных завтраков и напитков. Представлен расчёт экономической прибыли при организации собственного производства витаминизированной муки.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе проведенного литературно-патентного анализа определены пу-

ти интенсификации процесса смесеобразования в СНД центробежного типа, сформулирована научная концепция работы, направленная на повышение эффективности процесса смешения в тонкослойных разреженных потоках при получении в них комбинированных продуктов.

2. Получены математические модели процесса смешивания сыпучих материалов с использованием элементов теории вероятности и статистики, а также элементов моделей усреднения. Проведён корреляционный анализ различных схем организации движения материальных потоков в центробежных СНД. Полученные модели позволяют оценить степень сглаживания аппаратов с прямым и обратным рециклами внешних и внутренних контуров, провести её расчёт для каждого конкретного случая и определить коэффициенты рециркуляции, обеспечивающие заданное качество смеси. На основе сравнения основных характеристик корреляционного анализа были подобраны одиннадцать рациональных схем с целью их дальнейшего конструктивного воплощения. Установлено, что рециркуляция, процесс усреднения, разделение потоков на несколько частей, с последующим их многократным пересечением, улучшает качество смеси и повышает инерционные характеристики предложенных СНД.

3. Разработаны новые конструкции центробежных СНД, способные решать общехозяйственную проблему получения высококачественных сухих и увлажнённых комбинированных продуктов за счёт направленной организации движения материальных потоков и совмещения в одном аппарате процессов смешивания, диспергирования и увлажнения. Их техническая новизна защищена девятью патентами РФ и двумя положительными решениями на их выдачу.

4. На основе кибернетического подхода и теории автоматического управления разработаны математические модели новых непрерывнодействующих смесительных агрегатов центробежного типа, в том числе работающих по методу последовательного разбавления смеси, при соотношении её компонентов 1:1000. Полученные модели позволяют за счёт согласования частотно временных характеристик CA определить необходимые степени сглаживания флуктуаций входных материа-лопотоков центробежными смесителями нового типа.

5. Полученные математические модели в виде систем дифференциальных уравнений, включающие в свой состав информацию о формировании потоковых сигналов в блоках дозирующих устройств, позволяют отслеживать их флуктуации параллельно выходному сигналу, прошедшему через СНД и отбираемому на его выходе с учётом динамических параметров смесеприготовительных аппаратов.

6. Исследовано влияние конструктивных факторов на процесс смешивания в центробежных СНД, имеющих ротор в виде одного или нескольких конусов. Наличие волнообразной кромки конуса ротора приводит к снижению значения коэффициента неоднородности на я 3,5 4 % во всем диапазоне изменения концентраций ключевого компонента. Установка 12 углообразных отражателей увеличивает качество смеси в два раза при частоте вращения ротора 850 об/мин. и соотношении смешиваемых компонентов 1:75. При получении смесей заданного качества, с соотношением смешиваемых компонентов в диапазоне 1: 100 н- 1:400, рекомендуется использовать ротор СНД, состоящий из трех конусов, с углами конусности 45 град

для среднего конуса и 50 град для внутреннего, с расстоянием между ними »15 мм. Наличие направляющих или отражательных элементов увеличивает степень рециркуляции материалопотоков, снижая значения коэффициента неоднородности на 2 2,5 %. Рассчитанные уравнения регрессии позволяют выявить рациональные конструктивные и динамические параметры работы новых смесителей.

7. Изучено совместное влияние процессов диспергирования, увлажнения и смешивания в одном аппарате. Установлено, что при рациональных режимах работы в центробежных смесителях, имеющих на основании ротора диспергирующие ножи и режущие кромки на конусах, достигается в случае необходимости уменьшение исходных размеров частиц. Выявлено, что в центробежных СНД, при соотношении смешиваемых компонентов в диапазоне 1 :100 -г-1 :400, добавление в исходную смесь небольшого количества влаги 3 -ь 4 % с вязкостью 50 мПахс позволяет улучшить её Ус на 1,8 + 2,2 %.

8. Анализ эффективности процесса смесеприготовления по методу последовательного разбавления смеси при соотношении исходных компонентов порядка 1:500... 1000, показал, что новая оригинальная конструкция СНД, по сравнению с двумя последовательно соединенными аппаратами, позволяет улучшить качество получаемой смеси на 8 + 10 % при снижении энергозатрат на 30 %.

9. Результаты частотного и временного методов анализа ПФ СА показали, что в них возможно сглаживание пульсаций входных потоков в диапазоне от 50 до 2600 раз, позволяющее улучшить качество смеси за счёт последовательного прохождения большего количества конусов.

10. Определены значения составляющих скорости воздушного потока внутри рабочей камеры центробежного смесителя при различных частотах его вращения и конструкциях ротора. Выявлено, что для увеличения осевой составляющей скорости воздушного потока в центре ротора необходимо установить над конусом осевой вентилятор (Пат. РФ № 2216391) или отражатель с торообразной поверхностью (Пат. РФ № 2200055), либо конусный диффузор, направляющий турбулентные вихревые потоки к основанию ротора. Данные конструктивные решения способствуют организации направленного движения высокодисперсных пылевоздушных потоков в рабочей камере новых смесителей. В результате этого качество получаемых в них смесей увеличивается на 2,5 4,3 %.

11. Центробежные смесители непрерывного действия (защищенные патентами РФ №№ 2207186, 2207901, 23616553, 2455058) прошли успешные промышленные испытания, и рекомендованы для использования при аппаратурном оформлении стадий смешивания в технологических схемах получения следующих сухих комбинированных продуктов: витаминизированной муки для хлебобулочных изделий на ООО «Мастер-продукт» (г. Новокузнецк); йодированной муки на ООО «Кемеровохлеб» (г. Кемерово); сухой строительной штукатурной смеси М100 на ЗАО «Профикс-Кузбасс» (г. Кемерово); сухие смеси для посола деликатесных продуктов из мяса птицы на ОАО «ТД ОТМАШ» (г. Кемерово); сухие комбинированные завтраки и напитки на ООО НПО «Здоровое питание» (г. Кемерово). Ожидаемая прибыль от внедрения смесителя для получения витаминизированной муки составил 11222016 руб./год, при её себестоимости 38,75 руб. за 1кг (цены 2011г.).

ПЕРЕЧЕНЬ ПУБЛИКАЦИЙ

Монографии:

1. Бородулин, Д.М. Развитие смесительного оборудования центробежного типа для получения сухих и увлажненных комбинированных продуктов: монография /Д.М. Бородулин, В.Н. Иванец. - Кемерово, 2012. - 178 с.

2. Бородулин, Д.М. Разработка и математическое моделирование непрерывно-действующих смесительных агрегатов центробежного типа для переработки сыпучих материалов. Обобщенная теория и анализ (кибернетический подход): монография / Д.М. Бородулин. - Кемерово, 2013. - 207 с.

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК:

3. Иванец, В.Н. Новые конструкции центробежных смесителей непрерывного действия для переработки дисперсных материалов / В.Н. Иванец, И.А. Бакин, Д.М. Бородулин // Известия вузов «Пищевая технология». - 2003. - № 4. - С. 94-97.

4. Иванец, В.Н. Анализ работы центробежных смесителей непрерывного действия на основе математических моделей /В.Н. Иванец, И.А. Бакин, Д.М. Бородулин // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2003. - № 5. - С. 75-77.

5. Иванец, В.Н. Определение рациональных конструктивных параметров ротора смесителя непрерывного действия центробежного типа / В.Н. Иванец, Д.М. Бородулин, А.Н. Жуков, А.С. Волков // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2003. - № 9. - С. 77-78.

6. Иванец, В И. Разработка новых конструкций центробежных смесителей непрерывного действия для получения сухих комбинированных продуктов / В.Н. Иванец, СА. Ратников, Д.М. Бородулин // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2003. - № 9. - С. 81-82.

7. Иванец, В.Н. Анализ частотно-временных характеристик смесителя непрерывного действия центробежного типа / В.Н. Иванец, А. Н. Жуков, Д.М. Бородулин // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2004. - № 2 - С. 52-54.

8. Ратников, С.А. Прогнозирование качества смешивания компонентов при получении сыпучих комбинированных продуктов / С.А. Ратников, Д.М. Бородулин, СВ. Аверкин // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2005. -№ 9. - С. 61-62.

9. Бородулин, Д.М, Анализ работы смесителя центробежного типа для получения многокомпонентных сыпучих композиций методом последовательного разбавления / ДМ. Бородулин, С А. Ратников // Химическая промышленность сегодня. -2007. - № 1. - С. 33-34.

10. Бородулин, Д. М. Влияние жидкости и гранулометрического состава на процесс смешивания комбинированных кормов в смесителе непрерывного действия / Д.М. Бородулин // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2008. - № 11. - С. 53-55.

11. Бородулин, Д. М. Прогнозирование сглаживающей способности центробежного смесителя на основе корреляционного анализа / Д.М. Бородулин, А.А. Андрюш-ков // Техника и технология пищевых производств. - 2009. - № 4. - С. 39-42.

12. Бородулин Д. М. Определение рабочих параметров перфорированных конусов центробежного смесителя / Д.М. Бородулин, С.А. Ратников // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2009. -№ 6. - С. 73-75.

13. Иванец, В.Н. Тенденции развития смесительного оборудования непрерывного действия центробежного типа / В.Н. Иванец, Д.М. Бородулин, АА. Андрюшков // Техника и технология пищевых производств. - 2011. - № 1. - С. 67-71.

14. Бородулин, ДМ. Исследование функционирования центробежного смесителя непрерывного действия методом множественного регрессионного анализа / Д.М. Бороду-

лин, А.Б. Шушпанников, JI.A. Войтикова // Техника и технология пищевых производств. -2012.-№ 1.-С. 98-103.

15. Иванец, В.Н. Анализ работы смесителей непрерывного действия центробежного типа на основе корреляционного подхода / В.Н. Иванец, Д.М. Бородулин, A.A. Анд-рюшков // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2012. - № 8. - С. 23-26.

16. Бородулин, Д.М. Применение смесителя непрерывного действия для витаминизации муки / Д.М. Бородулин, О.В. Салищева, A.A. Андрюшков // Хранение и переработка сельхозсырья.-2012.-№ 9.-С. 58-61.

17. Бородулин, Д.М. Методы интенсификации процесса смешивания дисперсных материалов в непрерывнодействующем смесителе центробежного типа / Д.М. Бородулин // Техника и технология пищевых производств. - 2012. - № 4. - С. 81-88.

18. Иванец, В.Н. Исследование направления и скорости воздушных потоков в рабочей камере центробежного смесителя / В. Н. Иванец, Д.М. Бородулин, Д.В. Сухоруков //Техника и технология пищевых производств,-2013.-№ 1.-С. 71-74.

19. Бородулин, Д.М. Исследование работы смесительного агрегата, состоящего из двух последовательно установленных центробежных СНД для получения смеси с соотношением смешиваемых компонентов 1:1000 методом последовательного разбавления / ДМ. Бородулин, А.И. Саблинский, Д.В. Сухоруков, A.A. Андрюшков // Вестник Крас-ГАУ.-2013.-№ 5.-С. 210-217.

20. Шушпанников, А.Б. Особенности конструкций подъёмных винтовых вибрационных смесителей непрерывного действия / А.Б. Шушпанников, ДМ. Бородулин, C.B. Злобин, CJO. Рокосов//Техника и технология пищевых производств.-2013.-№2.-С. 102-107.

21. Харитонов, В.Д. Моделирование смесительного агрегата центробежного типа на основе кибернетического подхода / В.Д. Харитонов, Д.М. Бородулин, Д.В. Сухоруков, С.С. Комаров // Молочная промышленность. - 2013. - № 7. - С. 78-80.

Депонированные научные работы:

22. Бакин, И.А. Математический анализ работы центробежного смесительного агрегата на основе кибернетического подхода / И.А. Бакин, ДМ. Бородулин, А.И. Саблинский. - М„ 2002. - Деп. в ВИНИТИ В2002, № 17.

23. Бакин, И А. Использование случайных марковских процессов при моделировании смешивания в конусных смесителях / И.А. Бакин, А.И. Саблинский, ДМ. Бородулин. - М., 2002. - Деп. в ВИНИТИ В2002, № 18.

24. Бакин, И.А. Реализация метода направленной организации пылегазовых потоков в процессе смешивания сыпучих материалов / ИА. Бакин, Д.М. Бородулин, A.C. Волков. - М„ 2004. - Деп. в ВИНИТИ В2004, № 601.

25. Ратников, С.А., Бородулин Д.М., Аверкин C.B., Наумов Д.В. Математическое описание процессов смешивания дисперсных материалов в смесителях центробежного типа с использованием корреляционного анализа / ДМ. Бородулин, CA. Ратников, C.B. Аверкин, Д.В. Наумов. - М., 2004. - Деп. в ВИНИТИ В2004, № 817.

26. Бородулин, ДМ. Определение рациональных рабочих параметров центробежного смесителя с перфорированными конусами / ДМ. Бородулин. - М., 207. Деп. в ВИНИТИ В2007, № 100.

Работы, опубликованные в материалах международных конференций:

27. Иванец, Т.Е. Разработка и исследование центробежного смесителя с прямым рециклом / Иванец Т.Е., Ратников С.А., ДМ. Бородулин // Продовольственный рынок и проблемы здорового питания: материалы Ш международной научно-практ. конференции. -Орел, 2000.-С. 355-357.

28. Бородулин, Д.М. Определение сглаживающей способности смесителя непрерывного действия на основе корреляционного анализа / Д.М. Бородулин, А.И. Саб-линский, В.П. Зверев // Пшца. Экология, человек: Материалы 4ой международной научно-технической конференции. - Москва, 2001. - С. 263.

29. Бородулин, Д.М. Изучение влияния соотношения смешиваемых компонентов и рециркуляции на качество получаемой смеси / Д.М. Бородулин // Федеральный и региональный аспекты государственной политики в области здорового питания: тез. международ. симпозиума. - Кемерово, 2002. - С. 88.

30. Бакин, И.А. Определение рациональных конструктивных и режимных параметров работы смесителя непрерывного действия центробежного типа / И.А. Бакин, Д.М. Бородулин, C.B. Аверкин, А.С. Волков // Федеральный и региональный аспекты государственной политики в области здорового питания: тез. международ, симпозиума. - Кемерово, 2002.-С. 242-244.

31. Бородулин, Д.М. Исследование новой конструкции центробежного смесителя на основе множественного регрессионного анализа / Д.М. Бородулин, JI.A. Войтикова // Современные материалы, техника и технология. Материалы Международной научно -практической конференции. - Курск, 2011. - С. 48-51.

32. Бородулин, Д.М. Разработка высокоэффективного смесителя непрерывного действия центробежного типа / Д.М. Бородулин, А.А. Андрюппсов // Пищевые продукты и здоровье человека. Материалы международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Кемерово, 2012. - С. 304-305.

33. Бородулин, Д.М. Определение передаточных функций одноконусного центробежного смесителя непрерывного действия / ДМ. Бородулин, JI.A. Войтикова // Пищевые продукты и здоровье человека. Материалы международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Кемерово, 2012. - С. 306-308.

34. Бородулин, Д.М. Аппаратурное оформление процесса смешивания при производстве йодированной мучной смеси / Д.М. Бородулин, JIA. Войтикова // Современные инновации в науке и технике. Материалы 2- й Международной научно - практической конференции. - Курск, 2012. - С. 42-44.

35. Бородулин, Д.М. Сравнение эффективности работы двух цешробежных смесительных агрегатов при получении сухих комбинированных смесей / Д.М. Бородулин // Международный научный форум «Пищевые инновации и биотехнологии». - Кемерово, 2013. - С. 74- 92.

36. Бородулин, ДМ. Инновационное развитие высокоэффективных технологических процессов производства комбинированных продуктов в смесительных агрегатах центробежного типа / Д.М. Бородулин // Материалы международного конкурса научно-исследовательских проектов молодежи «Продовольственная безопасность». - Екатеринбург, 2013. - С. 73-76.

Работы, опубликованные в материалах всероссийских и областных конференций:

37. Ратников, С.А. Исследование работы центробежного смесителя сыпучих материалов с организованной в нем схемой опережающих потоков / С А. Ратников, Д.М. Бородулин // Проблемы и перспективы здорового питания: сб. научн. работ. - Кемерово, 2000. - С. 115.

38. Бородулин, Д.М. Определение зависимости качества смеси получаемых материалов от соотношения ингредиентов для центробежного смесителя с прямым рециклом / Д.М. Бородулин, С.А. Ратников // Технология продуктов повышенной пищевой ценности: сб. научных работ. - Кемерово, 2000. - С. 119.

39. Бородулин, Д.М. Исследование сглаживающей способности центробежного смесителя с прямым рециклом / Д.М. Бородулин, С.А. Ратников // Технология продуктов

повышенной пищевой ценности: сб. научных работ. - Кемерово, 2000. - С. 118.

40. Иванец, Г.Е. Исследование сглаживающей способности и качества смеси в центробежном смесителе / Г.Е. Иванец, С.А. Ратников, Д.М. Бородулин // Технология продуктов повышенной пищевой ценности: сб. научных работ. - Кемерово, 2000. - С. 120-122.

41. Бородулин, Д.М. Моделирование процесса непрерывного смешивания сыпучих материалов / Д.М. Бородулин, С.А. Ратников // Информационные недра Кузбасса: материалы первой региональной научно-прак. конф. Часть 2. -Кемерово, 2001. - С. 256-258.

42. Бородулин, Д.М. Влияние скорости движения рабочего органа порционного дозатора на погрешность дозирования / Д.М. Бородулин, С.А. Ратников, А.И. Саблинский // Продукты питания и рациональное использование сырьевых ресурсов: сб. науч. работ. -Кемерово, 2001. - Вып. 2. - С. 104.

43. Саблинский, А.И. К вопросу о математическом моделировании процесса смешивания в смесителях непрерывного действия с конусным ротором / А.И. Саблинский, Д.М. Бородулин, Г.Н. Белоусов // Продукты питания и рациональное использование сырьевых ресурсов: сб. науч. работ. — Кемерово, 2001. - Вып. 2. - С. 105.

44. Бородулин, Д.М. Разработка и исследование центробежного смесителя с организацией опережающих материальных потоков для получения сыпучих пищеконцентра-тов / Д.М. Бородулин, С.А. Ратников // Продукты питания и рациональное использование сырьевых ресурсов: сб. науч. работ. — Кемерово, 2001. - Вып. 3. - С. 131-132.

45. Бородулин, Д.М. Определение минимальной частоты вращения ротора центробежного СНД / Д.М. Бородулин, С.А. Ратников // Продукты питания и рациональное использование сырьевых ресурсов: сб. науч. работ. - Кемерово, 2001. - Вып. 3. - С. 133.

46. Бородулин, Д.М. Исследование работы смесителя сыпучих материалов с направленной организацией материалопотоков / Д.М. Бородулин, М.М. Виниченко // Продукты питания и рациональное использование сырьевых ресурсов: сб. науч. работ. - Кемерово, 2001.-Вып. 3.-С. 135.

47. Бородулин, Д.М. Анализ движения материалопотоков в смесительном агрегате на основе корреляционного метода / ДМ. Бородулин, М.М. Виниченко // Продукты питания и рациональное использование сырьевых ресурсов: сб. науч. работ. - Кемерово, 2001.-Вып. З.-С. 136.

48. Бородулин, Д.М. Разработка новых конструкций центробежных смесителей с опережающими потоками / Д.М. Бородулин, М.М. Виниченко // Пищевые продукты и здоровье человека: сб. тез. док. ежегод. аспирантско - стуенческой конференции. - Кемерово, 2002. - С. 73.

49. Бородулин, Д.М. Анализ смесительного агрегата на основе кибернетического подхода / Д.М. Бородулин, А.Н. Жуков // Продукты питания и рациональное использование сырьевых ресурсов: сб. науч. работ. - Кемерово, 2002. - Вып. 4. - С. 114.

50. Бородулин, Д.М. Влияние скорости движения рабочего органа порционного дозатора на погрешность дозирования / Д.М. Бородулин, С.А. Ратников, А.И. Саблинский // Продукты питания и рациональное использование сырьевых ресурсов: сб. науч. работ. -Кемерово, 2002. - Вып. 4. - С. 118.

51. Бакин, И А. Исследование конструктивных параметров конусного смесителя / И.А. Бакин, Д.М. Бородулин, А.Н. Жуков, А.И. Саблинский // Пищевые технологии: межрегион, конф. молодых ученых. - Казань, 2002. - С. 41.

52. Бакин, ИА. Этапы построения вероятностных моделей процессов смешивания / И.А. Бакин, Д.В. Петров, А.И. Саблинский, Д.М. Бородулин // Пищевые технологии: межрегион, конф. молодых ученых. - Казань, 2002. — С. 40.

53. Бакин, И.А. Разработка и исследование смесителя непрерывного действия центробежного типа с направленной организацией пылевоздушных потоков / И.А. Бакин, Д.М. Бородулин, А.Н. Жуков, А.С. Волков // Наука и практика. Диалоги нового века: Материалы конференции. - Набережные челны, 2003.-Часть 2.-С. 88-89.

54. Бородулин, Д.М. Исследование работы смесителя с осевым нагнетателем / Д.М. Бородулин, А.С. Волков, И.А. Бакин // Достижение науки и практики в деятельности образовательных учреждений: Материалы Всероссийской научно- пракг. конференции. - Юрга, 2003. - С. 44-47.

55. Бакин, НА. Распределение пылевоздушных потоков в конусном смесителе / И.А. Бакин, Д.М. Бородулин, А.С. Волков // Достижение науки и практики в деятельности образовательных учреждений: Материалы Всероссийской научно- пракг. конференции. - Юрга, 2003. - С. 47.

56. Бородулин, Д.М. Разработка и реализация метода интенсификации процесса смешивания / Д.М. Бородулин, А.С. Волков // Пищевые продукты и здоровье человека: сб. тезисов докладов ежегодной аспирангско - студенческой конференции. - Кемерово, 2003. - С. 67.

57. Еремеев, К.В. Разработка экстракционного аппарата центробежного типа/ К.В. Еремеев, Д.М. Бородулин // Пищевые продукты и здоровье человека: сб. тезисов докладов ежегодной аспирангско - студенческой конференции. - Кемерово, 2003. - С. 92.

58. Бородулин, Д.М. Затраты мощности на смешивание сухих продуктов питания / Д.М. Бородулин, А.С. Волков // Пищевые технологии: межрегион, конф. молодых ученых. - Казань, 2003. - С. 58 -59.

59. Потапов, А.Н. Экстрактор непрерывного действия центробежного типа / А.Н. Потапов, К.В. Еремеев, Д.М. Бородулин // Пищевые технологии: межрегион, конф. молодых ученых. - Казань, 2003.-С.73.

60. Бородулин, ДМ. Разработка смесителя непрерывного действия с организацией направленного движения пылевоздушных потоков / ДМ Бородулин, АЛ. Жуков, АС. Волков // Молодые ученые Кузбассу: вторая областная научная конференция. -Кемерово, 2003. - С. 201-202.

61. Ратников, СЛ. Определение затрачиваемой мощности на смешивание сухих комбинированных продуктов питания / С А. Ратников, ДМ Бородулин // Молодые ученые Сибири: материалы Всероссийской молодеж. науч.-прак. конф. -Улан-Удэ, 2003.-С. 145-148.

62. Бородулин, Д.М. Определение влияния геометрических и режимных параметров центробежного смесителя на качество получаемой смеси / Д.М. Бородулин // Пищевые технологии: 8 Всероссийская конференция молодых ученых с международным участием. - Казань, 2007. - С. 110-113.

63. Бородулин, Д.М. Определение качества смешивания и сглаживающей способности в смесителе непрерывного действия с использованием косвенного метода и корреляционного анализа / Д.М. Бородулин, АА. Андрюшков // Инструментальные методы для исследования живых систем в пищевых производствах: материалы Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи. - Кемерово, 2009. - С. 68-73.

64. Бородулин, Д.М. Использование смесителя центробежного типа для получения комбинированных кормов / Д.М. Бородулин // Новый этап развития пищевых производств: инновации, технологии, оборудование. Материалы Всероссийской научно-практической конференции. - Екатеринбург, 2009. - С. 8-9.

65. Бородулин, Д.М. Зависимость качества смеси от конструктивных особенностей смесителей непрерывного действия / Д.М. Бородулин, А.А. Андрюшков // Новый этап развития пищевых производств: инновации, технологии, оборудование. Материалы Всероссийской научно-практической конференции. - Екатеринбург, 2009. - С. 10-11.

66. Бородулин, Д.М. Моделирование непрерывного процесса смешения сыпучих материалов с соотношением смешиваемых компонентов 1:100 / Д.М. Бородулин // Инновационный конвент: «Кузбасс: Образование, наука, инновации». - Кемерово, 2012. - С. 18-21.

Работы в зарубежных научных изданиях:

67. Borodulin, D.iVL Investigation of dynamic characteristics flowability / D. M. Borodulin // «European Science and Technology» materials of the IV international research and practice conference. - Munich - Germany, 2013. Vol. I, P. 146-150.

68. Borodulin, D.M. Research flowability of food materials / D. M. Borodulin // «Science, Technology and Higher Education» materials of the П international research and practice conference. - Westwood - Canada, 2013. Vol. П, P. 101-106.

Патенты РФ:

69. Пат. 2191063 РФ, МПК 7 В01 F7/26. Центробежный смеситель / С.А. Ратников, Д.М. Бородулин, Г.Е. Иванец, Г.Н. Белоусов, И.А. Бакин; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» (Ru). - № 2001102922/12; заявл. 31.01.2001; опубл. 20.10.2002, Бюл. № 29. - 6 с.

70. Пат. 2200055 РФ, МПК 7 В01 F7/26. Центробежный смеситель / В.Н. Иванец, С.А. Ратников, Г. Е. Иванец, Д.М. Бородулин, Г. Н. Белоусов; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» (Ru).-№ 2000128252/12; заявл. 13.11.00; опубл. 10.03.2003, Бюл. № 7. - 6 с.

71. Пат. 2207901 РФ, МПК 7 В01 F7/26. Цешробежный смеситель / В.Н. Иванец, И.А. Бакин, Д.М. Бородулин, В.П. Зверев; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический инстшут пищевой промышленности» (Ru). - № 2001120866/12; заявл. 25.07.200i; опубл. 10.07.2003, Бюл. № 19. -7 с.

72. Пат. 2207186 РФ, МПК В01 F7/26. Цешробежный смеситель / В.Н. Иванец, И.А. Бакин, Д.М. Бородулин, В.П. Зверев; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» (Ru). - № 2001130371/12; заявл. 09.11.2001; опубл. 27.06.2003, Бюл. № 18. -3 с.

73. Пат. 2216394 РФ, МПК В01 F7/26. Центробежный смеситель / В. Н. Иванец, И.

A. Бакин, Г. Н. Белоусов, Д.М. Бородулин, А. С. Волков; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» (Ru). -№ 2002130106/12; заявл. 10.11.02; опубл. 20.11.2003, Бюл. № 32. - 6 с.

74. Пат. 2220765 РФ, МПК 7 В01 F7/26. Центробежный смеситель / В.Н. Иванец, И.А. Бакин, Д.М. Бородулин, М.М. Виниченко, Г.Н. Белоусов; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический инстшут пищевой промышленности»^). -№ 2002130106/12; заявл. 27.05.02; опубл. 10.01.2004, Бюл. № 1. - 6 с.

75. Пат. 2361653 РФ, МПК В01 F7/26. Центробежный смеситель / С.А. Ратников, Д.М. Бородулин, А.Н. Селюнин, А.В. Сибиль; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» (Ru). - № 2008115038/15; заявл. 16.04.2008; опубл. 20.07.2009, Бюл. № 20. - 5 с.

76. Пат. 2455058 РФ, МПК В01 F7/26. Цешробежный смеситель / В.Н. Иванец, Д.М. Бородулин, А.А. Андрюшков; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» (Ru). - № 2010150753/05; заявл. 10.12.10; опубл. 10.07.2012, Бюл. № 19. - 6 с.

77. Пат. 2464078 РФ, МПК В01 F7/26. Цешробежный смеситель диспергатор /

B.Н. Иванец, Д.М. Бородулин, АЛ. Андрюшков; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический инстшут пищевой промышленности» (Ru). - № 2011119845/05; заявл.17.05.11; опубл. 20.10.2012, Бюл. № 29. - 7 с.

ЛР № 020524 от 02.06.97 Подписано в печать 29.08.2013. Формат 60*84"". Бумага офсетная. Гарнитура Times. Уч.-изд. л. 2,4 . Тираж 80 экз. Заказ № 94

Оригинал-макет изготовлен в лаборатории множительной техники Кемеровского технологического института пищевой промышленности 650002, г. Кемерово, ул. Институтская, 7

ПЛД№ 44-09 от 10.10.99 Отпечатано в лаборатории множительной техники Кемеровского технологического института пищевой промышленности 650002, г. Кемерово, ул. Институтская, 7

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности»

05201351862

На правах рукописи

БОРОДУ ЛИН ДМИТРИЙ МИХАЙЛОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА СМЕШИВАНИЯ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ КОМБИНИРОВАННЫХ ПРОДУКТОВ В СМЕСИТЕЛЬНЫХ АГРЕГАТАХ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ТИПА

05Л8Л2 «Процессы и аппараты пищевых производств»

л- ~ Диссертация

на соискание учёной степени доктора технических наук

Научный консультант: заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Иванец Виталий Николаевич

Кемерово 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................8

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА

НЕПРЕРЫВНОГО СМЕСЕПРИГОТОВЛЕНИЯ И

ЕГО АППАРАТУРНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ.................................17

1.1. Основные направления в исследованиях процесса непрерывного смесеприготовления........................................................................17

1.2. Влияние флуктуаций питающих потоков на процесс смесеобразования.............................................................23

1.3. Состояние и перспективы развития смесительного оборудования центробежного типа для переработки сыпучих

материалов......................................................................27

1.4. Методы интенсификации процесса смешения дисперсных материалов в непрерывно действующем агрегате центробежного типа...............................................................................48

1.5. Методы моделирования процесса смешения сыпучих материалов.....................................................................56

Результаты и выводы по первой главе.........................................61

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СМЕШИВАНИЯ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ В НЕПРЕРЫВНО ДЕЙСТВУЮЩЕМ АГРЕГАТЕ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ТИПА С РАЗЛИЧНОЙ ТОПОЛОГИЕЙ МАТЕРИАЛЬНЫХ ПОТОКОВ................................................................62

2.1. Анализ простых схем движения материальных потоков внутри центробежных смесителей.................................................63

2.2. Анализ схем движения материальных потоков внутри

центробежного смесителя с трех конусным ротором................73

2.3. Влияние процесса усреднения материальных потоков на снижение

их неоднородности............................................................................85

Результаты и выводы по второй главе........................................92

ГЛАВА 3. ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА НОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

ЦЕНТРОБЕЖНЫХ СНД.........................................................93

3.1. Новые конструкции СНД с горизонтальным расположением ротора......................................................93

3.2. Новые конструкции СНД с вертикальным

расположением ротора......................................................100

Результаты и выводы по третьей главе..........................................104

ГЛАВА 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СМЕШИВАНИЯ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ В НЕПРЕРЫВНОДЕЙСТВУЮЩИХ СМЕСИТЕЛЬНЫХ АГРЕГАТАХ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ТИПА НА

ОСНОВЕ КИБЕРНЕТИЧЕСКОГО ПОДХОДА............................105

4.1. Моделирование процесса смешивания в динамической системе с различной топологией материальных потоков.......................105

4.2. Моделирование смесительных агрегатов, включающих в свой состав два центробежных смесителя...................................114

4.3. Моделирование смесительного агрегата, включающего в свой состав СНД, работающий по методу последовательного разбавления смеси..........................................................127

Результаты и выводы по четвертой главе..........................................134

ГЛАВА 5. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ

СМЕСИТЕЛЕЙ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ..........................135

5.1. Исследование одноконусных центробежных смесителей

непрерывного действия...................................................135

5.2. Исследование многоконусных центробежных смесителей непрерывного действия с горизонтальным расположением ротора...............................................................................................147

5.3. Исследование процесса диспергирования и определение удельных энергозатрат смесителя диспергатора..................................161

5.4. Исследование совмещенных процессов смешивания и увлажнения в центробежном смесителе непрерывного действия................166

5.5. Исследование работы двух последовательно установленных центробежных СНД при получении смеси с соотношением смешиваемых компонентов 1:1 ООО.....................................171

5.6. Исследование конструкции центробежного смесителя, работающего по методу последовательного разбавления смеси...........................................................................180

5.7. Методика расчета СНД центробежного типа.........................188

Результаты и выводы по пятой главе.........................................194

ГЛАВА 6. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ МАТЕМАТИЧЕСКИХ

МОДЕЛЕЙ СМЕСИТЕЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СУХИХ КОМБИНИРОВАННЫХ СМЕСЕЙ..............................196

6.1. Математическое описание сигналов создаваемых дозаторами объёмного типа.............................................................196

6.2. Экспериментальное определение передаточных функций разработанных центробежных СНД..........................................202

6.3. Анализ частотно-временных характеристик

смесительного агрегата центробежного типа при смешивании сыпучих компонентов с соотношением 1:100........................207

6.4. Анализ частотно-временных характеристик смесительных агрегатов, включающих в свой состав два последовательно установленных СНД центробежного типа.............................214

6.5. Анализ частотно-временных характеристик

смесительного агрегата, включающего в свой состав СНД, работающий по методу последовательного разбавления смеси...........................................................................229

6.6. Сопоставление результатов моделирования и экспериментальных исследований......................................235

Результаты и выводы по шестой главе........................................236

ГЛАВА 7. ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТЕЙ ВОЗДУШНЫХ ПОТОКОВ В РАБОЧЕЙ КАМЕРЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ СМЕСИТЕЛЕЙ...................................................................238

7.1. Исследование скоростей воздушных потоков в одноконусных центробежных смесителях непрерывного действия.................238

7.2. Исследование скоростей воздушных потоков в многоконусных центробежных смесителях непрерывного действия.......................................................................245

Результаты и выводы по седьмой главе.....................................252

ГЛАВА 8. ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ И РАСЧЕТ

ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА........253

8.1. Аппаратурное оформление производства витаминизированной муки для хлебобулочных изделий......................................253

8.2. Расчёт экономической эффективности при организации собственного производства витаминизированной муки............259

8.3. Аппаратурное оформление процесса смешивания при производстве йодированной мучной смеси...........................261

8.4. Аппаратурное оформление производства сухой строительной штукатурной смеси М 100................................................264

8.5. Аппаратурное оформление производства посолочных смесей....267

8.6. Аппаратурное оформление процесса производства

сухих завтраков.............................................................271

8.7. Аппаратурное оформление процесса производства сухих

витаминизированных киселей...........................................276

Результаты и выводы по восьмой главе.....................................279

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ..................................281

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................285

ПРИЛОЖЕНИЯ.................................................................................308

Приложение А (справочное) Значения сглаживающей способности и

коэффициента вариации схем «С», «В» и «Е» с учетом входных

корреляционных потоков..................................................309

Приложение Б (справочное) Блочно структурная схема СА состоящего из двух

последовательно установленных центробежных смесителей.......337

Приложение В (справочное) Экспериментальные данные зависимости

коэффициента неоднородности от конструктивных и режимных

параметров...................................................................338

Приложение Г (справочное) Экспериментальные данные для определения

коэффициента неоднородности (смесь сахар-манка) в зависимости

от геометрических и режимных параметров..........................397

Приложение Д (справочное) Поверхности отклика.....................................359

Приложение Е (справочное) Основные характеристики статистики, полученные

на различных смесях.......................................................360

Приложение Ж (справочное) Схема смесительного агрегата с двумя

последовательно установленными СНД центробежного типа....361

Приложение И (справочное) Поверхности отклика.....................................362

Приложение К (справочное) Схема смесительного агрегата..........................363

Приложение Л (справочное) Результаты обработки экспериментальных данных

ФРВП для смеси речной песок - ферромагнитный порошок......364

Приложение М (справочное) АЧХ и годографы смесителя, полученные на

различных смесях...........................................................367

Приложение Н (справочное) Расчет параметров математической модели для

различных смесей...........................................................370

Приложение П (обязательное) АКТ испытаний центробежного смесителя

(Патент № 2207186)........................................................393

Приложение Р (обязательное) АКТ испытаний центробежного смесителя

(Положит, решение № 2012125453/05)................................397

Приложение С (обязательное) АКТ испытаний центробежного смесителя

(Патент № 2361653)........................................................401

Приложение Т (обязательное) АКТ испытаний центробежного смесителя

(Патент № 2191063).......................................................404

Приложение У (обязательное) АКТ испытаний центробежного смесителя,

лицензионный договор и приложение к патенту на изобретение

№ 2464078...................................................................407

Приложение Ф (обязательное) АКТ испытаний центробежного смесителя,

лицензионный договор и приложение к патенту на изобретение № 2455058...................................................................417

ВВЕДЕНИЕ Общая характеристика работы

Современное состояние рынка оборудования пищевой промышленности характеризуется значительным увеличением спроса на машины и аппараты, позволяющие с небольшими энергетическими затратами получать высококачественные продукты повышенной ценности (обогащенные витаминами и биологически необходимыми компонентами). В частности, населению необходимо использовать в своем рационе новые комбинированные продукты, позволяющие ликвидировать дефицит различных пищевых веществ и микронутриентов. Так как многие виды добавок содержатся в основном продукте в небольших количествах (от 1 % и менее), то одной из главных проблем является их равномерное распределение по всему объему. По результатам исследований выявлено, что наиболее перспективными для решения этой проблемы являются смесители непрерывного действия (СНД) центробежного типа, которые характеризуются высокой интенсивностью процесса смешивания, за счет направленной организации движения тонких разреженных слоев, обеспечивают надежное сглаживание пульсаций входных материалопотоков [76, 78, 82]. В СНД центробежного типа возможно совмещение процессов смешения и диспергирования, это позволяет получать смеси хорошего качества при большом соотношении смешиваемых компонентов и является одним из их основных преимуществ.

В настоящее время в пищевых вузах и НИИ разрабатываются новые технологии получения продуктов питания для различных слоев населения, обогащенных витаминами, минералами и биологическими добавками. Например, актуальна проблема получения многокомпонентных смесей заданного качества в технологии производства продуктов и рационов питания для космонавтов, в создании пищевых концентратов, в том числе для детского, диетического и спортивного питания широкого ассортимента, сбалансированных по содержанию основных питательных веществ с одновременным сохранением вкусовых

достоинств, разработки комплексных пищевых добавок для кондитерских изделий, напитков и молочных продуктов.

Схожую крупную проблему приходится решать в других отраслях промышленности, например, в аграрно-промышленном комплексе (производство комбикормов), в строительной (производство сухих смесей), фармацевтической (производство витаминов, таблеток, цементов для лечения остеопорозных позвонков), химической (производство пороха, сухого ракетного топлива). Поэтому разработка эффективных непрерывно действующих центробежных смесителей нового типа для получения качественных смесей с соотношением компонентов до 1:1000 смеси является актуальной научной проблемой, имеющей общехозяйственное значение.

Значительный вклад российских и зарубежных учёных, посвященный исследованиям в области разработки теории, моделирования и практического смесеприготовления, был сделан: Ю.И. Макаровым, A.A. Александровским, Ф.Г. Ахмадиевым, А.И. Зайцевым, A.B. Каталымовым, В.В. Кафаровым, И.И. Дороховым, В.Н. Иванцом, Г.Е. Иванец, И.А. Бакиным, С.Р. Джинджихадзе, K.P. Пуль, И.И. Фишером, К.С. Кампбелом, П.В. Данквертсоном, Chen J. L., Harwood С., Muzzio F.J. и рядом других ученных [24 -32, 41, 88, 89, 92-111, 115, 117-125, 130-136, 175, 176, 184, 194]. Однако, несмотря на большой объём исследований смесителей центробежного типа, остаются недостаточно изученными вопросы, касающиеся повышения эффективности и интенсивности непрерывных смесеприготовительных процессов; реализации и математического описания последовательного разбавления смеси; изучения скоростей пылевоздушных потоков для создания их направленного движения внутри СНД с целью повышения качества смеси.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с научными направлениями ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности», на проведение исследований выделены гранты: Министерства образования РФ Т02-06.7-1238 «Научно-практические основы разработки непрерывнодействующих смесителей центробежного типа с регулируемой

инерционностью для получения сухих и увлажненных композиционных материалов», 2003-2004 г.г.; Грантом Губернатора Кемеровской области «Разработка непрерывнодействующих смесительных агрегатов центробежного типа для получения комбинированных кормов и продуктов питания», 2007 г. (грантодержатель - Д.М. Бородулин); грант Всероссийского конкурса докладов в ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» - «Разработка и исследование непрерывнодействующих смесительных агрегатов центробежного типа для получения сухих комбинированных продуктов», 2007 г. (грантодержатель - Д.М. Бородулин); грант Министерства образования и науки РФ 7.2715.2011 «Разработка высокоинтенсивных процессов получения комбинированных продуктов питания с использованием вторичного сырья», 2012-2014 г.г.

Цель работы. Создание эффективных центробежных

непрерывнодействующих смесителей нового типа, на основе использования результатов математического моделирования и экспериментальных исследований влияния различных факторов на процессы смешивания и диспергирования, а также организации направленного движения тонких разреженных слоев и пылевоздушных потоков в рабочем объёме аппарата, позволяющих решить общехозяйственную проблему получения смесей заданного качества.

Задачи исследований.

- Математически описать процесс смешивания на основе корреляционного анализа ряда схем с различной организацией движения материальных потоков в центробежных смесителях нового поколения.

- На основе кибернетического подхода с применением теории автоматического управления и дифференциальных уравнений создать математические модели процесса смешивания в смесительных агрегатах центробежного типа, с учётом динамических параметров аппаратов, входящих в их состав.

- Теоретически обосновать конструкции СНД центробежного типа нового поколения для получения качественных смесей при соотношении смешиваемых компонентов до 1:1000, в том числе совмещающие процессы смешения, увлажнения и диспергирования.

- Разработать алгоритм расчёта на ЭВМ рациональных динамических и конструкционных параметров работы СНД на основе частотно-временного анализа, с учётом входных воздействий, оказываемых со стороны дозаторов объёмного типа. Проверить математические модели смесителей на адекватность реальному процессу.

- Разработать и исследовать новые конструкции СНД центробежного типа с целью нахождения их рациональных конструктивных и технологических параметров работы, обеспечивающих стабильность качества готовой продукции. Изучить распределение скоростей воздушных потоков в рабочем объёме центробежных смесителей нового поколения для выявления их степени влияния на качество получаемой смеси. Разработать инженерную методику расчета СНД центробежного типа и агрегата в целом.

- Экспериментально подтвердить возможность повышения эффективности центробежных смесителей нового поколения, за счёт совмещения в них процессов смешивания, увлажнения и диспергирования.

- Разработать аппаратурное оформление стадий получения сухих или увлажненных композиций для ряда отраслей промышленности, с использованием предложенных нами новых конструкций СНД центробежного типа.

Методология и методы исследования. Автором при изучении научных теорий и разработок в области смешивания и диспергирования сыпучих и увлажнённых материалов обобщены результаты, полученные р