автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Разработка и исследование смесителя-диспергатора центробежного типа для получения сухих композитных смесей

КАРНАДУД ОЛЕСЯ СЕРГЕЕВНА

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СМЕСИТЕЛЯ-ДИСПЕРГАТОРА ЦЕНТРОБЕЖНОГО ТИПА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СУХИХ КОМПОЗИТНЫХ СМЕСЕЙ

Специальность: 05.18,12 - процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- О ЛЕН 2011

Кемерово 2011

005003934

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО институт пищевой промышленности» пищевых производств"

«Кемеровский технологический на кафедре "Процессы и аппараты

Научный руководитель: доктор технических наук,

доцент Бакин Игорь Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Иванец Галина Евгеньевна

доктор технических наук,

профессор Хмелев Владимир Николаевич

Ведущая организация: Государственное научное учреждение

Сибирский научно-исследовательский институт переработки сельскохозяйственной продукции (ГНУ СибНИИП) СО Россельхозакадемии

Защита состоится "22" декабря 2011 г. в 1630 часов на заседании диссертационного совета Д 212.089.02 при ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» по адресу: 650056, г.Кемерово, бульвар Строителей, 47, ауд.4л.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности», с авторефератом - на официальном сайте КемТИПП (www.kemtipp.ru).

Автореферат разослан

Ученый секретарь

диссертационного совета

"21" ноября 2011 г.

Бакин И.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Основными задачами, стоящими перед пищевой промышленностью, являются создание и внедрение современного высокоэффективного технологического оборудования, способствующего экономии исходного сырья, энергетических и материальных ресурсов, сокращающего негативное воздействие на окружающую среду.

Поэтому в области переработки сыпучих дисперсных материалов приобретают большое значение интенсификация процессов смешивания и диспергирования, разработка и проектирование новых типов аппаратов и методик их расчета. Актуальной задачей является получение многокомпонентных смесей с высокими процентными соотношениями (1:200 и более) в технологии производства сухих пищевых полуфабрикатов. Ввиду сложности учета физико-механических свойств сыпучих материалов надежной основой методов расчета аппаратов для их переработки являются экспериментальные исследования, что требует значительных затрат времени и средств. Для решения этой задачи необходимо использовать известные и апробированные методы математического моделирования процессов, протекающих в дисперсных системах.

Российскими учеными (Макаров Ю.И., Ахмадиев Ф.Г., Иванец В.Н., Баранцева Е.А., Селиванов Ю.Т., Першин В.Ф., Борщёв В.Я. и др.) опубликован ряд работ в области практики и теории процессов смешивания и диспергирования, однако некоторые вопросы так и остались нераскрытыми.

Поэтому изучение закономерностей процессов смешивания и диспергирования в технологии сухих композитных смесей, разработка высокоэффективного смесительного оборудования для их получения и оптимальных режимов его работы является актуальной задачей.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами НИР ФГБОУ ВПО КемТИПП, грантами губернатора Кемеровской области «Разработка научно-практических аспектов создания дозировочно-смесительного оборудования для производства комбинированных кормов и продуктов питания», «Инновационное развитие высокоэффективных технологических процессов производства комбинированных продуктов» (2007г., 2010 г., грантодержатель - Бакин И.А.).

Цель работы: разработка и исследование смесителя-диспергатора центробежного типа для получения сухих композитных смесей на основе анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Задачи исследований:

- разработать математические модели процесса смесеобразования в центробежных аппаратах на микроуровне (в рабочем объеме смесителя) и макроуровне (в системе «дозаторы-смеситель») с применением теории стохастических процессов и кибернетического подхода;

- исследовать экспериментальным путем процессы смешивания и диспергирования в центробежном аппарате и определить рациональные режимы его работы;

- реализовать математическую модель смесителя-диспергатора численными методами на ЭВМ, разработать алгоритм расчета его рациональных параметров работы и сравнить полученные зависимости с экспериментальными данными;

- разработать новую конструкцию смесителя-диспергатора центробежного типа и технологию получения сухих мучных композитных смесей в нем.

Научная новизна:

- разработаны и средствами компьютерного моделирования реализованы математические модели, описывающие процесс смесеобразования в локальном объеме смесителя-диспергатора и системе «дозаторы-смеситель»;

- разработаны алгоритмы расчета рациональных рабочих параметров смесителя-диспергатора сыпучих дисперсных материалов и их программная реализация (положительное решение на выдачу свидетельств о государственной регистрации на ПрЭВМ № 2011617334 и № 2011617335);

- экспериментально исследовано влияние рациональных конструктивных и режимных параметров работы смесителя на качество получаемых мучных композитных смесей.

Практическая значимость и реализация. По результатам исследований усовершенствована технология получения сухих мучных композитных смесей, реализуемая в новой конструкции смесителя-диспергатора центробежного типа (патент РФ № 104867). Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедрах "Процессы и аппараты пищевых производств" и "Технология и организация общественного питания" ФГБОУ ВПО КемТИПП при подготовке бакалавров и магистрантов.

Автор защищает: математическое описание процесса смесеобразования с применением стохастического и кибернетического подходов; алгоритм расчета рациональных параметров работы смесительного агрегата для получения качественных композитных смесей; новую конструкцию центробежного смесителя-диспергатора и результаты его экспериментальных исследований.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях ФГБОУ ВПО КемТИПП (2007 - 2011 г.); III Международной научно-технической конференции «Инновационные технологии и оборудование для пищевой промышлённости (приоритеты развития)», Воронеж, 2009; Всероссийской научной конференции молодых учёных «Наука. Технологии. Инновации», Новосибирск, 2009; Всероссийской научной конференции молодых учёных «Актуальные вопросы развития пищевой промышленности», Челябинск, 2011.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, из них 4 в журналах, рекомендованных ВАК РФ, получен патент РФ.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов, списка литературы и приложений; включает 44 рисунков, 14 таблиц. Основной текст изложен на 126 страницах, приложения на 29. Список литературы включает 117 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и сформулирована цель работы, приведена ее общая характеристика, структура исследований (рис.1).

В первой главе проанализированы проблемы и достижения в области процессов смешивания и диспергирования сыпучих материалов. Проведен анализ состояния и перспектив развития смесительного оборудования. Показано, что для решения поставленных задач наиболее перспективными являются аппараты центробежного типа.

На основе анализа известных подходов к моделированию процессов смесеобразования сыпучих материалов, выявлено, что наиболее перспективными являются кибернетические методы, основанные на анализе структуры потоков с помощью функции распределения времени пребывания частиц внутри аппарата, и вероятностно-статистический (стохастический) подход для описания процессов смешивания и диспергирования в центробежном аппарате.

Во второй главе на первом этапе исследован процесс смесеобразования в системе «дозаторы-смеситель». Для смесителя непрерывного действия (СНД) с передаточной функцией (ПФ) Т¥(Б) связь входного и выходного сигналов при нулевых начальных условиях определяется выражением:

у(0 = Щ5)х((), (1)

где у (г) - выходной сигнал; х(0 - входной сигнал.

Модель смесеприготовительного агрегата рассматривалась в виде системы, состоящей из ряда динамических звеньев: блок дозаторов сыпучих материалов с ПФ Жл(5),(г' = 1,3), приемная емкость (сумматор) (СЭ) с ПФ IV(5) = 1 и центробежный СНД с ПФ 1¥ш(5). Блок дозаторов, создавая входные (со стороны СНД) воздействия в виде сигналов весовых расходов питающих потоков ХдЦ), работает согласно-параллельно на СНД. На

основании законов преобразования структурных схем изображение по Лапласу ПФ блока дозаторов имеет вид:

= + + = (2) а ПФ всей системы определяется формулой:

ж(5) = |жл.(5)-^т(5). (3)

Дозирование основных компонентов в исследуемом непрерывно действующем смесительном агрегате (НСА) осуществлялось спиральным и шнековым дозаторами, которые характеризуются волнообразной формой подаваемого материалопотока, с ПФ вида:

л 5 5 +4,41 л ; 5 544,08

га

>5 г

т

* s

О п

ш У ф ь

5 т

<Я :>

О. п

О о

П) РЗ

н ю о

Постановка задач исследования

Обоснование технологии получения композитных смесей Моделирование процессов смешивания и диспергирования Реализация модели, проверка на адекватность Экспериментальные исследования Промышленн. апробация

Смешивание и диспергирование сыпучих материалов

Методы интенсификации

процессов смесеобразования

Модели Обзор

процессов смесительного

смешивания и оборудования

диспергирования

0 ^

1

га со о

о. ^

с о»

<и

О

о щ

т ^

I-

пз

2 Ф I-

га

Мат. моделирование агрегата на основе кибернетического _подхода__

Исследование совместной работы смесителя и блока дозаторов

Выбор оптимальной схемы СА

Моделирование стр-ры материалопотоков в аппарате на основе стохастич-го подхода

Выбор оптимальной схемы движения мат. потоков в смесителе

Разработка модели агрегата, нахождение параметров его передаточной функции_

Сравнение, анализ различных схем работы агрегата, включающего порционный, шнековый, спиральный дозаторы и смеситель-диспергатор; определение коэффициентов передаточной функции системы

Анализ различных схем движения материала по зонам аппарата, определение параметров модели с применением теории случайных функций, расчёт теоретических значений коэффициента неоднородности и диспергирующей способности аппарата

Исследование параметров работы смесителя-диспергатора: режимные: частота вращения ротора (10,83; 18,33; 25 об/с); конструктивные: геометрия исполнения ротора (гладкий ротор с окнами у основания, с конусом по центру, обращённым вершиной вверх, с конусом, рассеивателем и окнами у основания)

Нахождение ПФ смесителя и СА, включающего блок дозаторов. Оценка сглаживающей способности смесителя при различных схемах работы СА_

Проверка адекватности полученных моделей

Исследование работы смесительного агрегата при различных модификациях схем движения и режимах работы_

Практическая реализация смесительного агрегата при производстве мучных композитных смесей (полуфабрикаты «Блинная смесь»,«Оладьи»,«Панировка дпя рыбы»)_

Рис.1. Общая схема исследований

Индикатор (ключевой компонент) подавался в аппарат потоком с формой сигнала расхода в виде меандра и характеризовался следующими режимными параметрами: весовой расход материала Xmd = 2,66 г/с, период дозирования T¡¡ = 2 с, скважность Л=2. Сигнал порционного дозатора аппроксимирован следующим образом:

1,33 1,694-3,14 0,565-9,42 0,339-15,7 0,242-21,98 0,188-28,26 W (S) = -+-+-+-+-+-. (6)

т О О О О О

S S +9,86 S +88,74 S +246,49 S +483,12 5 +798,63 ПФ смесителя в общем виде описывалась: к p~tS

JVsm(S) =--, (7)

(r3-S + l)(r4'S + l)

где К-коэффициент передачи (/0=1);

T¡,T4 - постоянные времени СНД;

г - интервал запаздывания.

При описании возвратных материалопотоков, создаваемых при вращении

лопастей, расположенных в нижней части аппарата, использовалось звено

запаздывания. Для аппроксимации звена чистого запаздывания применялась

модель Паде второго порядка:

_fS _ 1-0,5-г-¿>+0,086-г2 -S1

£ ~ l + 0,5-r-5 + 0,086-r2 -S2

Использование кибернетического подхода позволило провести сравнение различных схем движения материалопотоков в смесеприготовительном агрегате непрерывного действия.

На втором этапе для математического описания процесса смешивания компонентов смеси в локальном объеме аппарата выделены основные зоны, по которым происходит движение потоков материала под действием центробежных и инерционных сил, возникающих при вращении ротора (первая зона - zj, вторая - Z2 и т.д.).

Перемещение частицы по выделенным зонам смесительного аппарата -процесс случайный ввиду того, что она может находиться в одном из счетного множества несовместных состояний z¡, а переход по выделенным зонам смесителя осуществляется в фиксированные моменты времени t=tk (k=0, 1, 2,...). Данный процесс является непрерывным во времени и дискретным в пространстве состояний системы Z.

Математическая модель системы в момент t = tk+!:

г

- S¡c

<

Ри Рп - Рм Рг\ Ргг - Рп

\Рк Рп - Рп, ^=(1,0,0,0,0,0,0), (9)

Mk=N-Sk.

ч.

Количество материала, поступающего в аппарат, принимается за безразмерную величину, равную единице.

Основными параметрами, от которых зависят все остальные значения данной модели, являются переходные вероятности р23, р46, р56, р63 и р64. Модель (9) для исследуемой конструкции смесительного аппарата примет вид (10):

'0 1 0 0 0 0 0 ^

0 0 Ргъ 0 0 (1-Лз) 0

0 0 0 1 0 0 0

0 0 0 0 (1-Аб) Р46 0

0 0 0 0 0 Рьь (1-р56)

0 0 Ра Ры $-Ра-Р<л) 0 0

,0 0 0 0 0 0 1 ,

(10)

где Мк = 5Ь Л = (1, 0, 0,0, 0, 0, 0).

Данная модель позволяет провести сравнительный анализ различных структур движения материалопотоков в аппарате и определить их влияние на такие параметры, как время выхода на стационарный режим работы, пошагово рассмотреть процесс заполнения зон материалом и рассчитать накопительную способность смесителя-диспергатора и отдельных его зон в переходном и установившемся режимах работы и другие факторы. В расчетах режимные параметры работы считаются неизменными, а структура потоков в аппарате может быть изменена, например, введением в конструкцию отражателей, перепускных окон т.д.

Путем варьирования значений р2з, Р46, Р56> Рбз и р64 получены данные о загрузке отдельных частей смесителя-диспергатора в переходном и установившемся режимах работы. Для сравнительного анализа влияния структуры материалопотоков на качество готовой смеси предложено каждому материало-потоку поставить в соответствие числовую характеристику, характеризующую качество смешивания материала в данном потоке

Неоднородность материала (с начальным значением теоретического коэффициента неоднородности материала К/ = 100%) при движении частиц в смесителе согласно графу 2 с соответствующими переходными вероятностями р^ (рис. 2) изменяется в той или иной степени, в зависимости от числа возможных переходов и значений

Рис.2. Граф 2 перемещения частиц материала по рабочим зонам смесителя

Одним из наикратчайших возможных путей движения материала является его перемещение по зонам 1-2-3-4-5-7. Вероятность этого события равна произведению соответствующих переходных вероятностей:

тогда значение К/, соответствующее этому событию, может быть определено:

Для расчета значений V] при различных траекториях движения частиц материала средствами языка программирования Visual Basic создана программа «Расчет качества смешивания в центробежном смесителе», позволяющая оценить качество готовой смеси исходя из заданных вероятностей перехода материала по рабочим зонам аппарата рц и степени смешивания материала в потоке Цу. На основе разработанного алгоритма произведен расчет средних и минимально возможных значений показателя Vj и вероятностей наступления таких событий Р для п различных случаев; проанализировано влияние изменения параметров рц на качество готовой смеси и найдены их рациональные значения.

На третьем этапе изучен процесс диспергирования частиц материала, наблюдаемый при работе центробежного аппарата. Построение математической модели проведено аналогично методу, описанному на этапе 2. Используя подход, изложенный в работах авторов1, рассмотрена обратная задача - нахождение матрицы измельчения Р по известным фракционным составам на входе х и выходе у смесителя-диспергатора и восстановления по ней полной непрерывной кинетики измельчения.

При математическом описании процессов измельчения наиболее информативной характеристикой является матрица измельчения Р, каждый элемент которой pkJ показывает долю материала /-ой фракции, переходящую после измельчения в к-ую фракцию.

Пусть х - вектор-столбец фракционного состава измельчаемого материала с элементами xj (/-l..m, где номер ш соответствует самой тонкой фракции), показывающими массовую долю у'-ой фракции, а у - измельченного продукта с элементами^ (£=1..т). Эти фракционные составы связаны уравнением:

p = Pi2-P2¡-Pu-P45-P5T

(Н)

(12)

(13), (14)

ь i

Матрица измельчения Р в общем виде: 0 .. О

D Рп Рг 2 •• 0

Plm Plm - Р,

mm J

1 Bemotat S.. Schonert K. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. -We incheim. -1988, Mizonov V., Zhukov V., Bernotat S. Simulation of Grinding: New Approaches. - ISPEU Press. 1997.

Условия нормировки для неизвестных элементов рщ матрицы Р:

т

Матрица Р может быть восстановлена из единичного опыта (одной пары х и у) только при т-2, то есть при представлении фракционного состава материала только двумя классами (крупным и мелким).

При измельчении материала с различными фракционными составами х1 система из к линейных уравнений для к неизвестных рц имеет вид:

(Уи х2Х * 'Р*

Ун = х12 Х12 .. хк1 Ркг

\Ук*) Х2 * • - Хкк \Ркк)

Решая систему (17), можно найти все элементы рщ матрицы Р. Данная математическая модель, пошагово описывающая кинетику процесса, может быть использована для определения степени измельчения материала в смесителе-диспергаторе.

Для сравнительного анализа влияния структуры материалопотоков на степень измельчения крупной фракции материала предложено каждой зоне смесителя-диспергатора поставить в соответствие числовую характеристику: степень измельчения, характеризующую измельчение материала диспергирующими элементами и обозначаемую у,-.

Размер частиц материала (с начальным теоретическим размером частиц £>„ = 1,00) при их движении в аппарате с заданными степенями диспергирования в соответствующих зонах у,- (рис. 2) изменяется в той или иной степени, в зависимости от числа возможных переходов и значений у(.

Например, одним из наикратчайших возможных путей движения материала является его перемещение по зонам 1-2-3-4-5-7. Вероятность этого события будет равна произведению соответствующих переходных вероятностей (11), тогда теоретический размер частиц материала на выходе из аппарата От, соответствующий этому событию, может быть определен следующим образом:

С целью расчета значений теоретического размера частиц материала От на выходе из аппарата для различных траекторий их движения разработана программа «Оценка диспергирующей способности центробежного смесителя», позволяющая оценить степень измельчения материала исходя из заданных у, и Р, где каждый элемент рц показывает долю материала у'-ой фракции сырья, переходящую после измельчения в к-ую фракцию измельченного продукта, а у, - степень измельчения материала диспергирующими элементами в г-той зоне. С помощью программы рассчитаны степени измельчения материала для п различных случаев, их минимально возможные и средние значения.

Варьирование значений ру и использование введенного показателя степени измельчения материала диспергирующими элементами в рабочих зонах аппарата у, позволило проанализировать влияние изменения параметров ру на качество готовой смеси и подобрать их рациональные значения. Так, в результате расчетов выявлено, что при последовательном пропускании материала через аппарат пять раз, размер частиц самой крупной фракции материала уменьшился на 28% (рис.3). Это гарантированно позволяет разрушить крупные конгломераты, содержащиеся в исходном сырье.

В третьей главе рассмотрены вопросы аппаратурного и методологического обеспечения экспериментальных исследований. Приведено описание лабораторно-исследовательского стенда, включающего в себя блок дозаторов, смеситель-диспергатор, блоки управления и измерительных приборов, отбора и анализа проб. В качестве ключевого компонента использовался ферромагнитный трассер.

Центробежный смеситель-диспергатор (рис.4) (патент РФ №104867), состоит из вертикального цилиндрического корпуса 1, эллиптической крышки 2, на которой имеется загрузочный патрубок 3, эллиптического днища 4, с подшипниковым узлом 5 и разгрузочным патрубком 13. На нижней части вала

6 установлен ворошитель 7, выполненный в виде двух направляющих лопастей.

Ротор выполнен в виде диска 8, на котором концентрично установлен полый конус 9, обращенный вершиной вверх. На основании ротора размещен конус 10 с перепускными окнами 11. Над конусом на валу установлен осевой рассеиватель 12, в виде четырех лопаток.

Исследовались различные варианты исполнения

конструкции ротора, представленные на рис.5: усеченный гладкии конус с окнами у основания, рис.5 а ; полый конус, обращенный вершиной вверх, с окнами у основания, рис.5 б; полый конус, обращенный вершиной вверх, с окнами у основания и рассеивателем, выполненным в виде 4 лопаток, рис.5 в.

I

2 3

номер цикла

Рис.3. Изменение размера частиц самой крупной фракции материала

Рис.5 Варианты исполнения конструкции ротора смесителя

Также в главе описаны методики определения характерного размера частиц, параметров моделей - коэффициентов ПФ смесительного аппарата, коэффициентов циркуляции материалопотоков по рабочему объему смесителя и интенсивностей изменения коэффициента неоднородности смеси.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований процессов смешивания и диспергирования в новой конструкции аппарата при различныех схемах организации движения материальных потоков в рабочем объеме смесительного аппарата, определяемые конструктивными вариантами исполнения ротора, представленными на рис.5: а - прямоточная с опережающими и возвратными потоками (рис.5 а); б - прямоточная с опережающими, возвратными и накладывающимися потоками (рис.5 б); в - с опережающими, возвратными, накладывающимися и распределяющими потоками (рис.5 в). В ходе исследований при варьировании конструктивных и режимных параметров получены значения параметров ПФ, приведенные в табл. 1.

Расчёт параметров ПФ центробежного смесителя-диспергатора Табл. 1

Схема движения мат.потоков а б в а б в а б в

частота вращения ротора, об/с 10,83 18,33 25

т 11 10 1 9 7 6 8 8 6

Т1 32,65 36,90 37,80 33,00 38,50 49,25 34,45 37,60 44,70

т2 16,29 17,96 17,97 16,10 17,53 18,04 16,86 17,63 18,07

Т3 22,00 15,80 11,40 16,70 11.00 10,83 13,71 12,05 9,20

т4 10,65 21,10 26,40 16,30 27,50 38,42 20,74 25,55 35,50

В результате обработки экспериментальных данных для схемы движения (в) с опережающими, накладывающимися и распределяющими материалонотоками, при частоте вращения ротора п = 18,33 с'1, ПФ аппарата имеет вид:

1 1 ---=-Т--(19)

(10,83 5 + 1)(38,42-5 + 1) 416-5 +49,25 5 + 1 Общий вид ПФ смесеприготовительного агрегата записывается в следующем виде:

W(S) =

1,775 3,14 9,42

-+ + 3-

15,7

21,98

S S* + 9,

28,26 (18,51 --+ -

S2 + 798,63 V S

S* + 88,74 S2 + 246,49 S2 + 483,12

1,65

5 +4,08

7,72 S

1,07

S +4,41

416-5 +49,25-5 + 1 3-52 - 3-S + l

V 3-5 +3-5+1

(20)

Полученная модель была реализована на ЭВМ с помощью программно-прикладного пакета MathCAD. Значения сглаживающей способности аппарата S(co), при частоте дозирования со (от 0,1 до 0,5), рассчитанные по формуле:

S(a>) = R~\co), (21)

где

R{co) = -v/Re2(ü)) + Im2(ß>), (22)

для различных схем движения материальных потоков в его рабочем объеме и частотах вращения ротора, представлены в табл. 2.

Расчёт сглаживающей способности смесителя-диспергатора Табл.2

Схема движения мат.потоков а б в а б в а 6 в

частота вращения ротора, об/с 10,83 18,33 25

со = 0,1 7,18 8,17 9,12 8,20 8,97 10,83 8,28 9,88 11,08

со = 0,2 13,66 15,75 16,22 14,95 16,31 18.69 17,59 18,00 21,85

S(co) со = 0,3 26,16 29,23 31,02 28,93 31,47 34,73 35,20 35,33 42,44

со = 0,4 46,92 49,50 52,00 48,76 52,95 57,49 60,05 64,80 71,49

со = 0,5 66,82 76,48 79,05 74,32 80,62 86,84 82,03 91,33 98,91

Изменения, внесенные в конструкцию для создания направленных материалопотоков в рабочем объеме смесительного аппарата, позволяют значительно уменьшить влияние флуктуаций питающих потоков, создаваемых дозаторами объемного типа. Так, организация работы СНД по схеме (в), при неизменных частотах дозирования и вращения ротора, позволяет максимально сгладить погрешности дозаторов по сравнению с другими схемами.

Сравнительный анализ различных схем движения материалопотоков в смесеприготовительном агрегате непрерывного действия, включающего новую конструкцию центробежного смесителя-диспергатора и дозирующие устройства объемного типа, показал, что при увеличении частоты дозирования с 0,1 до 0,5 с"1 сглаживающая способность аппарата возрастает в 10 раз. При изменении частоты вращения ротора с 10,83 до 18,33 об/с она увеличивается в три, а при значении 25 об/с - в четыре раза.

С целью сравнения результатов моделирования и экспериментальных данных проведено сопоставление значений коэффициентов неоднородности смеси, полученных расчетным и опытным путем для СНД с различными схемами движения потоков (рис.6).

частота вращения ротора, п, об/с

Рис.6. Сравнение значений показателя качества смешивания

Максимальная погрешность расчётных значений коэффициента неоднородности, полученных при реализации модели (10), не превышает 13%.

Для исследования влияния конструктивных и режимных параметров работы новой конструкции центробежного смесителя-диспергатора на качество смеси спланирован и реализован полнофакторный эксперимент ПФЭ З3. В ходе его проведения варьировались следующие параметры: частота вращения ротора (п=18,33-25), концентрация ключевого компонента в смеси (ск.к=1/20(Ь-1/400) и отношение дисперсностей частиц смешиваемых компонентов (Д=5-;-15). Качество смеси оценивалось с помощью коэффициента неоднородности Ус (у), %. После обработки экспериментальных данных получены зависимости в виде уравнений регрессии, для смеси мука - ферромагнитный порошок:

7 = 9,897-0,271 -X, +94,667-Хг-0,224• + 0,015-X, Х3. (23)

На основании критерия Фишера получена оценка адекватности модели: расчетный Рр = 2,183.

Опытным путем исследовано влияние различных схем движения потоков в аппарате на качество смеси. Значения коэффициента неоднородности для смеси мука - ферромагнитный порошок, взятых в соотношении 200:1, представлено на рис.7.

Удовлетворительные результаты получены для прямоточной схемы (а) с опережающими потоками, лучшие - для схемы движения (в) с опережающими, накладывающимися и распределяющими материалопотоками. Организация на роторе опережающих и рециркулирующих потоков материала (за счет окон и лопастей рассеивателя) позволяет улучшить качество смешивания в 1,7 раза. Увеличение частоты вращения ротора с 10,83 до 18,33 об/с существенно улучшает качество получаемой смеси при всех схемах движения материалопотоков (почти в 1,4 раза). В тоже время при частотах вращения свыше 18,33 об/с для схем (б) и (в) - незначительно.

На нескольких этапах смешивания также частичное истирание его крупных ротора и в пространстве между корпусом и разгрузочными лопастями. Выявлено изменение степени измельчения дисперсных материалов (муки, сухого молока и сахара) в зависимости от: частоты вращения ротора и конструкции рассеивателя, состоящего из четырех

диспергирующих лопастей.

В ходе экспериментальных исследований установлено, что при частоте вращения ротора 25 с"1 степень измельчения достигает 70-80% от исходного размера частиц сырья (рис.8).

Совмещение процессов

смешивания и диспергирования в одном аппарате позволило получать

смеси заданного качества и решить проблему комкования и слеживаемости сыпучих дисперсных компонентов исходного сырья.

Рис. 7. Влияние структуры движения материалопотоков на качество смешивания

£ О & &

Л I 3- Ч

аз

I а

I-

га о а —

о 5? х .

100 95 90 85 80 75 70 65

N *

—о -расчёт • *

• мука •

■ сахар А Ф

А сух. мол

: .....•>• >; . 1 г» '

номер цикла

Рис.8. Изменение степени измельчения На базе

учебно-производственного цеха ГОУ НПО ПЛ № 49 проведены испытания

опытно-промышленной установки по смешиванию компонентов для мучных

полуфабрикатов. Разработана аппаратурно-процессовая схема для

малотоннажного производства мучных композитных смесей для приготовления

полуфабрикатов «Оладьи», «Блинная смесь», «Панировка для рыбы». В

результате проведенных исследований подобраны рациональные параметры

работы смесителя-диспергатора и разработана технологическая схема, которые

внедрены в рамках учебно-производственного цеха ГОУ НПО ПЛ №49, что

подтверждено актами, приведенными в приложении.

п=18,33 об/с

п=25 об/с

материала происходит измельчение, а частиц при движении по поверхности п=10,83 об/с

□ схема движения (а) ■ схема движения (б) схема движения (в)

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработана математическая модель смесительного агрегата, включающего в свой состав блок дозаторов объемного типа и смеситель, с применением теории стохастических процессов и кибернетического подхода Проверка адекватности полученных моделей показала, что расхождение между расчетными и опытными данными не превышает 13%.

2. Средствами компьютерного моделирования созданы алгоритмы расчета процессов смешивания и диспергирования сыпучих дисперсных материалов и его программная реализация, позволяющие рассчитать рациональные параметры работы смесителя-диспергатора центробежного типа при его проектировании или модернизации.

3. Разработан центробежный смеситель-диспергатор для получения качественных композитных смесей. Для данной конструкции проведен сравнительный анализ трех схем движения материалопотоков. Установлена возможность увеличения сглаживающей способности аппарата: при изменении частоты вращения ротора с 10,83 до 18,33 об/с она увеличивается в три раза, а при значении 25 об/с - в четыре раза.

4. Исследовано влияние режимных и конструктивных параметров работы смесителя-диспергатора на качество получаемых мучных композитных смесей. Установлено, чш за счет организации направленного движения материалопотоков в аппарате можно улучшить качество смешивания в 1,7 раз; путем увеличения частоты вращения ротора до 18,33 об/с - в 1,4 раз.

5. Установлено, что совмещение процессов смешивания и диспергирования в одном аппарате позволяет устранить проблему комкования и слеживаемости компонентов и получать смеси заданного качества. Степень измельчения материала при частоте вращения ротора 25 об/с достигает 0,7-Ю,8 (70-80% от исходного размера частиц сырья).

6. Разработана и обоснована технология сухих мучных композитных смесей с использованием нового смесителя-диспергатора центробежного типа. Ее промышленная апробация проведена при производстве мучных полуфабрикатов «Оладьи», «Блинная смесь» и «Панировка для рыбы» в учебно-производственном цехе ГОУ НПО ПЛ №49 г.Кемерово.

ПЕРЕЧЕНЬ ПУБЛИКАЦИЙ

1. Пат. 104867 Российская федерация, МПК В01 F5/22 / Смеситель-диспергатор / Бакин И.А., Карнадуд О.С., Сухоруков Д.В.; заявл. 16.11.10, опубл. 27.05.11, Бюл. №15.

2. Карнадуд, О.С. Определение модельных параметров процесса периодического смешивания / О.С. Карнадуд, С.Г. Чечко // Техника и технология пищевых производств. - 2009. - № 3 (14). - С. 32-35.

3. Руднев, С.Д. Термодинамический подход к определению прочности взаимодействия биологических дисперсных структур / С.Д. Руднев, О.С. Карнадуд // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2009. - №4. - С. 12-15.

4. Бакин, И.А. Модель структуры потоков в центробежном смесителе дисперсных материалов / И.А. Бакин, О.С. Карнадуд, А.И. Саблинский // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2010. - №3. - С.12-14.

5. Иванец, В.Н. Сравнительный анализ схем движения материальных потоков в смесеприготовительном агрегате / В.Н. Иванец, И.А. Бакин, О.С. Карнадуд, A.B. Сибиль // Техника и технология пищевых производств. - 2011. - № 4. - С. 86-91.

6. Карнадуд, О.С. Об информационно-энтропийном подходе к процессу измельчения сыпучих материалов / О.С. Карнадуд // Продукты питания и рациональное использование сырьевых ресурсов: сб. науч. работ / КемТИПП. -Вып. 12. - Кемерово, 2007. - С. 44-45.

7. Бакин, И.А. Стохастический подход описанию структуры потоков в центробежном смесителе / И.А. Бакин, О.С. Карнадуд, A.B. Сибиль // Инновационные технологии и оборудование для пищевой промышленности (приоритеты развития): Материалы III Международной научно-технической конференции. В Зт. - ВГТА. - Воронеж, 2009. - Т2. - С.135-139.

8. Карнадуд, О.С. Расчёт параметров математической модели смесительного аппарата периодического действия / О.С. Карнадуд, A.C. Ащеулова, И.А. Бакин // Материалы всероссийской научной конференции молодых учёных «Наука. Технологии. Инновации» (НТИ-2009). В 7 ч. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2009. -Ч.1-С. 24-26.

9. Карнадуд, О.С. Исследование диспергирующей способности конусного смесительного аппарата / О.С. Карнадуд, С.Г. Чечко // Пищевые продукты и здоровье человека: Материалы III Всероссийской конференции аспирантов и студентов. - Кемерово, 2010. - С.318-319.

10. Сибиль, A.B. Интенсификация процессов смешивания за счёт оптимизации конструкции аппарата / A.B. Сибиль, О.С. Карнадуд // Пищевые продукты и здоровье человека: Материалы III Всероссийской конференции аспирантов и студентов. - Кемерово, 2010. - С.298-299.

11. Карнадуд, О.С. Разработка дозатора объемного типа для зернистых материалов / О.С. Карнадуд, А.Ю. Дандерфер, В.Б. Баталов Н Наука и производство: состояние и перспективы: сб. науч. трудов / КемТИПП. - Кемерово, 2011. - С.62-63.

12. Карнадуд, О.С. Кибернетическое моделирование технологии сыпучих многокомпонентных пищевых продуктов / О.С. Карнадуд, И.А. Бакин, A.B. Сибиль // Актуальные вопросы развития пищевой промышленности: Материалы Всероссийской заочной научно-практической конференции / ЧГПУ. - Челябинск, 2011. - С.24-26.

Подписано к печати 16.11.11 г. Формат 60x80/16. Тираж 80 экз. Объем 1 пл. Заказ № 145. Отпечатано на ризографе. Кемеровский технологический институт пищевой промышленности, 650056, г. Кемерово, 56, б-р Строителей, 47. Отпечатано в редакционно-издателъеком центре КемТИПП, 650010, г. Кемерово-10, ул. Красноармейская, 52.

ВВЕДЕНИЕ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И АППАРАТУРНОГО ОФОРМЛЕНИЯ ПРОЦЕССОВ СМЕШИВАНИЯ И

ДИСПЕРГИРОВАНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРА ЛОВ.

1.1. Современные способы и устройства для смешивания и диспергирования сыпучих материалов.

1.1.1. Теоретические основы процессов смешивания сыпучих дисперсных материалов.

1.1.2. Общая характеристика процессов диспергирования сыпучих материалов.

1.1.3. Типовые конструкции смесителей-диспергаторов. центробежного типа.

1.1.4. Интенсификация процессов смесеобразования в аппаратах центробежного типа.

1.2. Основные подходы к математическому моделированию процессов смесеприготовления.

1.3. Технология получения сухих композитных смесей.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СМЕШИВАНИЯ И ДИСПЕРГИРОВАНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ В АППАРАТЕ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ТИПА.

2.1. Математическое моделирование процессов смесеобразования в смесительном агрегате на основе кибернетического метода.

2.2. Сравнительный анализ схем организации движения материальных потоков в аппарате на основе стохастического подхода.

2.2.1. Расчёт возможных путей перехода потоков материала по рабочим зонам аппарата.

2.2.2. Алгоритм расчета качества смешивания в центробежном смесителе-диспергаторе.

2.2.3. Выбор рациональных параметров модели, описывающей процесс смесеобразования в локальном объеме аппарата.

2.3. Изучение закономерностей процесса диспергирования в центробежном аппарате.

2.3.1. Расчет степени измельчения материала в смесителе-диспергаторе.

2.3.2. Алгоритм расчета диспергирующей способности аппарата.

ГЛАВА 3. АППАРАТУРНОЕ И МЕТОДОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1. Описание лабораторно-исследовательского стенда.

3.2. Дозировочное оборудование стенда.

3.2.1. Порционный дозатор.

3.2.2. Шнековый дозатор.

3.2.3. Спиральный дозатор.

3.3. Описание новой конструкции смесителя-диспергатора.

3.4. Приборы и методика определения концентрации ферромагнитного трассера в смеси.

3.5. Методика отбора проб из смеси.

3.6. Методика определения характерного размера частиц.

3.7. Материалы, используемые в экспериментальных исследованиях.

3.8. Методика определения коэффициентов циркуляции материала в аппарате.

3.9. Методика определения параметров передаточной функции смесителя-диспергатора.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3.

Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ СОБСТВЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1. Экспериментальное исследование схем движения материальных потоков в смесеприготовительном агрегате.

4.1.1. Определение параметров ПФ смесителя и дозаторов.

4.1.2. Анализ (влияние) организации схем движения материальных потоков в смесительном агрегате на сглаживающую способность.

4.2. Определение рациональных параметров работы смесителя-диспергатора.

4.2.1. Исследование влияния схем движения материалопотоков на качество смешивания.

4.2.2. Определение степени диспергирования материала в аппарате.

4.3. Промышленная апробация.

4.3.1. Аппаратурное оформление производства мучных композитных смесей для получения полуфабрикатов «Блинная смесь», «Оладьи».

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. Основные задачи пищевой промышленности - это обеспечение населения высококачественными продуктами питания, создание и внедрение отвечающего современным требованиям высокоэффективного технологического оборудования,

О» .0' способствующего экономии материальных и топливно-энергетических ресурсов, исходного сырья и сокращающего негативное воздействие на окружающую среду [1].

Совместно с необходимостью наращивания темпов производства продуктов питания на предприятиях пищевой промышленности решаются задачи рационального и полного- использования поступившего сырья. В связи с этим в области переработки сыпучих дисперсных* материалов приобретают большое значение ресурсосберегающие технологии, интенсификация процессов смешивания и диспергирования; разработка и. проектирование новых типов аппаратов и методик их расчета. Поэтому актуальной является, задача интенсификации процесса приготовления многокомпонентных смесей, с высокими процентными соотношениями-(1:200 и более) в технологии производства сухих пищевых полуфабрикатов (готовые мучные смеси для приготовления блинов, оладий и т.п.). Ввиду сложности учета физико-механических свойств сыпучих материалов надежной основой методов расчета аппаратов для их переработки являются экспериментальные исследования.

На практике для повышения эксплуатационных характеристик в исследуемый аппарат вносятся конструктивные изменения, что требует затрат времени и средств на повторение всего объема эмпирических исследований [2]. Во многих случаях это недопустимо для динамично развивающихся производств. Для решения этой задачи необходимо использовать известные и апробированные методы математического моделирования процессов, протекающих в дисперсных системах.

Российскими учеными (Макаров Ю.И., Ахмадиев Ф.Г., Кафаров В.В., Блиничев В.Н., Мизонов В.Е., Иванец В.Н., Баранцева Е.А., Селиванов Ю.Т., Першин В.Ф., Борщёв В.Я. и др.) опубликованы ряд работ в области практики и теории процессов смешивания и диспергирования, однако некоторые вопросы так и остались нераскрытыми.

Поэтому изучение закономерностей процессов смешивания и диспергирования в технологии сухих композитных семей с целью разработки высокоэффективного смесительного оборудования для их получения, а так же выбор оптимальных режимов работы смесеприготовительного агрегата является актуальной задачей.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами НИР ФГБОУ ВПО КемТИПП, грантами губернатора Кемеровской области «Разработка научно-практических аспектов создания дозировочно-смесительного оборудования для производства комбинированных кормов и продуктов питания», «Инновационное развитие высокоэффективных технологических процессов, производства комбинированных продуктов» (2007 г., 2010 г., грантодержатель - Бакин И.А.).

Цель работы: разработка и исследование смесителя-диспергатора центробежного типа для получения сухих композитных смесей на основе анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Задачи исследований: разработать математические модели процесса смесеобразования в центробежных аппаратах на микроуровне (в рабочем объеме смесителя) и макроуровне (в системе «дозаторы-смеситель») с применением теории стохастических процессов и кибернетического подхода; исследовать экспериментальным путем процессы смешивания и диспергирования в центробежном аппарате и определить рациональные режимы его работы;

- реализовать математическую модель смесителя-диспергатора численными методами на ЭВМ, разработать алгоритм расчета его рациональных параметров работы смесителя-диспергатора и сравнить полученные зависимости с экспериментальными данными;

- разработать новую конструкцию смесителя центробежного типа и технологию получения сухих мучных композитных смесей в>нем.

В соответствии с поставленными задачами, исследования проводили по общей схеме, представленной на рис.1.

Научная новизна:

- разработаны и средствами компьютерного моделирования реализованы математические модели, описывающие процесс смесеобразования в локальном объеме смесителя-диспергатора и системе «дозаторы-смеситель»;

- разработаны алгоритмы расчета рациональных рабочих параметров смесителя-диспергатора сыпучих дисперсных материалов (свидетельства о государственной регистрации программ ЭВМ №2011619083, 2011619084);

- экспериментально исследовано влияние рациональных конструктивных и режимных параметров работы смесителя на качество получаемых мучных композитных смесей.

Практическая значимость и реализация. По результатам' исследований усовершенствована технология получения сухих композитных смесей, реализуемая в новой конструкции смесителя-диспергатора центробежного типа (патент РФ № 104867). Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедрах "Процессы и аппараты пищевых производств" и "Технология и организация общественного питания" ФГБОУ ВПО КемТИПП при подготовке бакалавров и магистрантов.

Автор защищает: математическое описание процесса смесеобразования с применением стохастического и кибернетического подходов; алгоритм расчета рациональных параметров работы смесительного агрегата для получения высококачественных мучных композитных смесей; новую конструкцию центробежного смесителя-диспергатора и результаты его экспериментальных исследований.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях ФГБОУ ВПО КемТИПП (2007 - 2011 г.); III Международной научно-технической конференции «Инновационные технологии и оборудование для пищевой промышленности (приоритеты развития)», Воронеж, 2009; Всероссийской научной конференции молодых учёных «Наука. Технологии. Инновации», Новосибирск, 2009; Всероссийской научной конференции молодых учёных «Актуальные вопросы развития пищевой промышленности», Челябинск, 2011.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, из них 4 в журналах, рекомендованных ВАК РФ, получены патент РФ и 2 свидетельства о государственной регистрации программ ЭВМ №2011619083,2011619084.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов, списка литературы и приложений; включает 44 рисунка, 14 таблиц. Основной текст изложен на 126 страницах, приложение на 29. Список литературы включает 117 наименований.

3. Выводы и предложения.

I Ipe/iMicieiniaii ihii.ii мо-нромм! пленная уаапопкл по смен тиамин» ком попет он да я мучных нолуфаорнкатн чЬ'.чиннач смесью прншлна ш.иержашмеп нрнемочные исшлхнпх. Улучшилось качсспю смсшнплнпя. при проведении процесса ликвидирован ручном 1руд.

В pciy.-II.KIIC i1c1iwkihmü. проведенных ни MtfllipiMV'KIIOM смесшс.чо н учеоио-производственном цехе ИЛ ГОУ IHK) .Hindi ЛУ). úu.iit уменьшены noiepii oí Орака и сделаны мм килы о мысиком качестве смешивании конечной) продукта.

1'екомсндомаи. уепншжш. счсеикмь на рпмшос iipoiniuviciKo для получения Mj4in.iv смесей дм\чшчо по.-пфлорнкпл .'Ь.ишлая смесь». с?/ ПОИ

11рсдседа1с,п. комиссии: um HHMoiiauHoinmlí лаборатории, мае i ер HO 1"ОУ IIIК > I L'íK"4<>

Патрона Л.С.

Члены комиссии: !емюл(ч ГОУ НПО I I.U Л':4<П аироил O.A. флфеееор кафедры IIAIlll ГОУ В1Ю !„WI ¡IIII I. дд.н. Каким H.A. кафедры TiiOOl I ГОУ НПО Кем IUI 111. км,и. Дапыдсико Н.И., f . '/íí асниран i кафедры HAI II 11 ОУ 11ЦО K'eul I II II I. Карн.иуд < >.< '., rfî Mai lier ран i кафедры НАИН ГОУ НПО Кем'1 III II I. Дандсрфсц Д.Ю.