автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Разработка и исследование центробежного смесителя непрерывного действия с организацией направленного движения материальных потоков

На правах рукописи

СУХОРУКОВ ДМИТРИЙ ВИКТОРОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНОГО СМЕСИТЕЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ С ОРГАНИЗАЦИЕЙ НАПРАВЛЕННОГО ДВИЖЕНИЯ МАТЕРИАЛЬНЫХ ПОТОКОВ

05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 ДПР 2014

Кемерово-2014

005547459

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» Министерства образования и науки РФ

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Бородулин Дмитрий Михайлович

Официальные оппоненты: Зайцев Анатолий Иванович,

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ, ФГБОУ ВПО «Ярославский государственный технический университет», заведующий кафедрой «Теоретическая механика»

Маньянов Виктор Исупович,

кандидат технических наук,

ООО «Протеин - Продукт Кемерово»,

г. Кемерово, заместитель директора

Ведущая организация: Государственное научное учреждение

«Сибирский научно-исследовательский

институт переработки сельскохозяйственной продукции» Российской академии

сельскохозяйственных наук, Новосибирская область, п. Краснообск

Защита состоится «29» мая 2014 года в II00 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)39-68-54.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на официальном сайте ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» (http://www.kemtipp.ru).

С авторефератом можно ознакомиться на официальных сайтах ВАК Минобрнауки РФ (,http://vak.ed.gov.ru/ru/dissertation) и ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» (http://www.kemtipp.ru)

Автореферат разослан «/#» ¿Й^ 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Голуб

Ольга Валентиновна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Необходимость обогащения продуктов питания биологически ценными компонентами вызывает неблагоприятная экологическая обстановка во многих регионах страны, включая Кузбасс.

Актуальна проблема получения многокомпонентных смесей заданного качества с определенными микробиологическими показателями в молочной промышленности. Остро стоит проблема комплексного использования побочного сырья пищевой и перерабатывающей промышленности с целью получеши высококачественных комбикормов для животных. В хлебопекарной промышленности остро стоит задача получения продуктов, обогащенных биологически ценными элементами (производство с.мсссй с подсластителями, витаминно-минеральными добавками, производство пшеничных и кукурузных хлопьев, соевой муки, сухого соевого молока).

Аналогичные проблемы стоят и перед другими отраслями промышленности, такими как: строительная (производство сухих смесей), фармацевтическая (производство витаминов, таблеток, цементов для лечения остеопорозных позвонков), химическая (производство различных красителей), агропромышленносп, (производство пищевых добавок).

Организация процесса смешивания в цешробежных смесителях является одним из основных факторов, влияющих на качество получаемой продукции. На больших частотах вращения ротора центробежного смесителя высокодисперсные компоненты (витамины, минеральные вещества, биологические добавки и другие энергетически ценные компонента), входящие в состав смеси в минимальном количестве (1% и менее) поднимаются в пылевоздушное пространство над ротором, в результате чего происходи сегрегация получаемой смеси, негативно сказывающаяся на ее качестве. Определение направления и значений составляющих скорости воздушного потока в различных точках рабочей камеры центробежного смесителя помогает организовать требуемое движение материальных потоков для повышения эффективности процесса смешивания при получении однородных по составу композиций заданного качества

Несмотря на то, что в области смешивания проведён большой объём исследований, из-за существенного увеличения спроса на смесители центробежного типа, остаются недостаточно изученными вопросы, касающиеся повышения эффективности и интенсивности непрерывных процессов смешивания; изучения направления и скоростей материальных потоков для создания их направленного движения с целью повышения качества конечного продукта. Поэтому исследование направления и скорости движения составляющих материального потока в рабочей камере центробежного смесителя с целью создания его направленного движения является актуальной научной проблемой, представляющей практический интерес для многих отраслей промышленности.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами НИР ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности», грантом Министерства образования и науки РФ «Повышение эффективности получения однородных по составу сыпучих композиций в це1ггробежном смесителе за счет изучения скорости высокодисперсных воздушных потоков и организации их направленного движения» (Научным руководителем которой, является академик АТН РФ. профессор Иванец В. Н.)

Цель работы. Разработка новых конструкций эффективных смесителей непрерывного действия центробежного типа с организацией направленного движения материальных потоков для получеши сухих многокомпонентных смесей, определение рациональных параметров работы смесителя непрерывного действия (СНД) на основе математического моделирования и экспериментальных исследований.

Задачи исследований. В соответствии с поставленной целью в настоящей работе решались следующие основные задачи:

теоретическое и экспериментальное обоснование новых конструкций СНД центробежного типа для производства различных сыпучих смесей, обогащения их витаминами, минеральными веществами и микроэлементами;

- математическое описание процесса смешивания в цешробежных смесительных агрегатах на основе кибернетического подхода;

- исследование и определение численных значений сыпучести различных пищевых материалов и их смесей, определение критериального уравнения процесса смешивания, позволяющего определить мощность аппарата и охарактеризовать отношение сыпучести материала к силам инерции в его тонкослойном потоке;

- исследование картины распределения материальных потоков на различных конструкциях ротора нового СНД цешробежного типа;

- исследование смесителя цешробежного типа с целью определения его рациональных конструктивных и технологических параметров работы, обеспечивающих стабильность качества готовой продукции;

- проведение промышленных испытаний новых конструкций центробежного СНД в составе технологических схем производства витаминизированных киселей, сухих завтраков.

Научная новизна. Создана математическая модель непрерывнодействующего смесительного агрегата центробежного типа на основе кибернетического подхода, позволяющая проанализировать возможность получения смесей заданного качества с учетом влияния внешних факторов. Предложен критерий сыпучести, позволяющий описать поведение различных сыпучих материалов, под действием сил инерции. Проведены исследования влияния материальных потоков внутри аппарата на качество получаемых смесей. Найдены рациональные конструкционные и технологические параметры СНД при которых получаются смеси заданного качества

Практическая значимость и реализация. Результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса смешивания сыпучих материалов позволили разработать три новые конструкции СНД центробежного типа. Разработано аппаратурное оформление технологической линии процесса непрерывного смешивания, включающее в свой состав ценгробежный СНД новой конструкции в технологических схемах производства сухих завтраков, витаминизированных киселей на ООО НПО «Здоровое питание» г. Кемерово. Результаты диссертационной работы используется в учебном процессе на кафедре процессов и аппаратов пищевых производств ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» при подготовке бакалавров и магистров по направлению 15.04.00 «Технологические машины и оборудование»

На защиту выносятся: математическое описание процесса непрерывного смешивания внутри СНД центробежного типа; результаты экспериментальных

исследований получения смесей сыпучих материалов в новых конструкциях СНД центробежного типа; результаты исследований сыпучести пищевых материалов; картина распределения материальных потоков внутри аппарата

Объектом исследования являлись новые конструкции эффективных СНД центробежного типа для получения качественных смесей с соотношением компонентов 1:100 и выше.

Предметом исследования являлось определение рациональных конструктивных, технологических и режимных параметров работы СНД центробежного типа; выявление закономерностей, влияющих на качество смешивания пищевых материалов.

Апробация работы. Основные положения, изложенные в диссертационной работе, были представлены и обсуждены на: ежегодных международных научных конференциях Кемеровского технологического института пищевой промышленности (2010-2013); VII конференции молодых ученых и специалистов научно-исследовательских институтов отделения хранеши и переработки сельскохозяйственной продукции Россельхозакздемии, 2013; Инновационном конвенте «Кузбасс: образование, наука, инновации», Кемерово, 2013; Современные проблемы гуманитарных и естественных наук. Материалы XV международной научно-пракшческой конференции, Москва, 2013; Международной научно-пракпиеской конференции «Современные проблемы гуманитарных и естественных наук», Институт стратегических исследований, 2013; «Science, Technology and Higher Education», Materials of the II international research and practice conference Vol. II, Westwood, Canada, 2013; «European Science and Technology», Materials of the IV international research and practice conference Vol. I, Munich, Germany, 2013; «Science. Technology and Higher Education», Materials of the ID international research and practice conference, Westwood, Canada, 2013; «Science and Education», Materials of the IV international research and practice conference Vol. I, Munich, Germany, 2013.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 работах, из которых 6 публикаций в журналах, рекомендованных ВАК, 4 публикации в зарубежных изданиях, 1 патет РФ. Подано три заявки на получение патента РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литерату ры и приложений; включает 48 рисунков, 26 таблиц. Основной текст изложен на 128 страницах машинописного текста, приложения - на 23. Список литературы включает 100 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и сформулированы: задачи исследований, объекты и методы исследований, цель работы и ее общая характеристика.

В первой главе рассмотрены общие основы и условия повышения эффективности процесса смешивания в ценгробежных аппаратах непрерывного действия, проанализировано состояние и перспективы развитая смесительного оборудования для смешивания сыпучих материалов и сформулированы требоваши к новым конструкциям Ийпробежных СНД обладающих способностью сглаживать флуктуации входных потоков за счет организации направленного их движегаи.

Во второй главе рассматриваются вопросы математического моделирования процесса смешивания сыпучих материалов на основе кибернетического подхода

......■/.....

На рисунке 1 представлена функционально - __; Л„<», ¡'«,.(5)

структурная схема смесительного агрегата дня г'"'"''Т'""'сэ ——-1

получения многокомпонентных смесей с учетом внешних воздействий на СНД. _х"2"'

На работу смесителя оказывают влияние ! """"

основные технологические параметры: скорость 1

г рисумо* 1 - фунишаиапьно - структурны

воздушного потока (У), кр!ггерий сьшучесга сямошшиивч«™

материала (5/), диша образующей конуса (£), которым соответствуют передаточные функции

Воспользовавшись законами преобразования структурных схем, модель смесительного агрегата можно записать в виде уравнения:

=• Ш™© • • \\\<8) ■ =

= 1^(5) ^а,(5)-\ад-\Уч<5)-\¥1(5) (1)

1=1

На основании известных свойств преобразования Лапласа суммарный сигнал от блока дозирующих устройств в операторной форме запишется в следующем виде:

(2)

Импульсные переходные характеристики (17,(5) и РОД) сигналов спирального и шнекового дозаторов, представлены в следующем виде:

(4)

Кшочеюй компонент смеси подается в СНД порционным дозатором с сигналом типа «прямоугольная волна», представленным следующим выражением:

23 + + (5)

Подставив выражения (3), (4) и (5) в (2) получим суммарный сигнал от блока дозирующих устройств в операторной форме:

УУ1..С<:Р|-Х1|ог 1 "Д"^"11' I х« I х1|щ2*'"112 ,Арз . у.10 ( Духа , Вихмаз^

5 + + 5 (б)

Передаточная функция СНД представлена зависимостью:

'^(5) = —----(7)

Следующий шаг - выбор веда и величины входных внешних воздействий, передаточные функции (ПФ) которых определяются аналитически.

Выходной сигнал системы У^^З) по каналам воздействия массового расхода исходного компонента и скорости потока Кна сглаживающую способность на выходе также может бьпъ описан функцией:

(в) = Х„(Б)• \Ух„ © + у® • (?) (8)

у - ,Л1

Я

s + ю2п

Уф

где - передаточная функщи канала системы по массовому расходу исходного компонента.

Определение передаточной функции при воздействии критерия сыпучести 5/ на сглаживающую способность на выходе из системы:

Гх»^) = х„ (Б) ■ Шх„ (Э) + ЭД •

мк^в).

ад

(10) (И)

где - передаточная функция канала системы по массовому расходу исходного

компонента.

Определение передаточной функции при воздействии длины I, образующей конуса на сглаживающую способность на выходе из системы:

= Х„ (Б) • \Ух„ (<5) + ЦЯ) • WL ©

(Б) =

ЦЯ)

(12) (13)

где - передаточная функция канала системы по массовому расходу

исходного компонента.

Подставив выражения (6), (8), (10) и (12) в (1) получим модель смесительного агрегата с учетом внешнего воздействия на СНД, для получения сухих смесей с соотношением смешиваемых компонентов 1:100:

Кх е"

ХС102 ■ Хат2Х(1>(12 . Доз ■ уЮ /

Ух.У(5)-Х„(8)-ТУХ„(;>) ^ У(в)

Ух.„5(8)-Х„(8)-\Ух„(8) х Ух„,(5)-Х„(5)-УУХ„(5) Жв) ЦЯ)

Акз><|_ , Вкз

"«"«Л! ,

«■>!> Л '

Т22 х Э2 + Т! X Б + 1

(14)

Общий вцд смесительного агрегата, в ввде блочно-сгруетурной схемы, показывающей

влияние внешних факторов на СНД и полученный на основании выражения (14), представлен на рисунке 2.

Полученная модель, включающая в свой состав информацию о формировании потоковых сигналов в блоках дозирующих устройств, позволяет отслеживать их флуктуации параллельно выходному сигналу, прошедшему через СНД и отбираемому на его выходе. При помощи прикладных пакетов 1Ч[хщкьы<<Ма11шк1>> и «КЫ\етайса» возможно реализовывать полученную модель и преобразовать временные функции в виде операторной формы и обратно, т.е. производшь

?Г С-НОК ^ - д.ТЭТНО-СПЛ ОТ

.газла а «зпельного згрегзг з

операционные исчисления. Следовательно, при использовании кибернешческого подхода модель смесительного агрегата, позволяет спрогнозировал, качество процесса смесепригоговления сыпучих материалов, при известных функциональных зависимостях входных и внешних сигналов от времени и передаточных функций СНД.

В третьей главе рассмотрены вопросы аппаратурного и методологического обеспечения экспериментальных исследований. Приведено описание лаборагорно-исследовательского стенда и четырех конструкций цетробежных СНД. В состав сгевда входят опьпно-промышленный образец смесителя центробежного типа, оборудование для отбора проб из готовой смеси, пульт управления и приборы для определения концентрации ключевого компонента в смеси. Также дано описание новых конструкций СНД.

Схема общего вида центробежного смесителя непрерывного действия с направляющим диффузором изображена на рисунке 3.

Технической новизной смесителя является установленный внутри рабочей камеры аппарата диффузор, который создает направленное движение пылевоздушных потоков. Это техническое решение позволяет устранить застойные зоны в центре ротора, увеличить продолжительность движения частиц материала внутри аппарата и значительно снизить степень сегрегации.

Смеситель работает следующим образом. Через ■загрузочный патрубок 3 на основание диска 9 вращающегося ротора подаются смешиваемые сыпучие материалы. Они равномерно растекаются по поверхности диска 9 под действием центробежной силы. Далее частицы движутся снизу вверх по поверхности полого тонкостенного усеченного конуса 10. С момента движения компонентов по нему высокодисперсные частицы начинают подниматься в пылевоздушное пространство, а основной поток материала продолжает движение по поверхности конуса 10. Высокодисперсные частицы, поднявшись вверх, огибают поверхность направляющего диффузора и стремятся к центру ротора, перемешиваясь с новым потоком материала, движущимся по вращающейся поверхности конуса 10. Достигнув его верхней кромки, под действием центробежной силы полученная смесь сбрасывается в пространство между ротором и корпусом и попадает на днище смесителя 5. Готовая смесь выводится из аппарата через разгрузочный патрубок 6 при помощи ворошителя 8. На данную конструкцию подана заявка на получение патента РФ.

На рисунке 4 приведена схема смесителя центробежного типа, который состоит из следующих элементов: цилиндрического корпуса 1, крышки 2, в которой закреплен загрузочный патрубок 3, подшипникового узла 5, в котором закреплен рабочий вал 6, в нижней части которого установлены разгрузочные лопасти 7. На рабочем валу 6 закреплен ротор, основание которого выполнено в виде вращающегося диска 8. Вершиной вверх на диске 8 концентрично установлен полый конус 9. На основании ротора концентрично установлен полый тонкостенный усеченный конус 10 с окнами 11, который соединен меньшим основанием снизу с диском. На валу над конусом концентрично установлен осевой вентилятор 12. Он выполнен в виде лопаток,

3.

Рисунож 3 Центробежный СНД с на правлю шим циффузором

расположенных под углом к горизонтальной плоскости. В эллиптическом днище 4 расположен разгрузочный патрубок 13.

Интенсивность и эффективность процессов смешивания и диспергирования увеличиваются благодаря распределению потока сыпучего материала под действием лопаток осевого вентилятора 12, а также созданию опережающих потоков через отверстая основания ротора, как следствие, повышается качество смеси. На данную конструкцию получен патент РФ № ¡04867.

На рисунке 5 изображен центробежный смеситель с гибким шнеком.

СНД состоит из следующих элементов: цилиндрического корпуса 1, крышки 2, в которой закреплен загрузочный патрубок 3, днища 4, подшипникового узла 5. В днище 4 установлен рабочий вал 6. В нижней части смесителя установлены разгрузочные лопасти 7, выполненные в виде двух лопастей. На рабочем валу крепится ротор 8, основание которого выполнено в виде вращающегося диска. На основании ротора концентрично установлен полый тонкостенный усеченный конус, соединенный с диском снизу меньшим основанием. В эллиптическом днище установлен разгрузочный пщрубок 9. Гибкий шнек 10. выполненный в виде пружины, крепится к крышке и днищу с внешней стороны смесителя. На данную конструкцию подана заявка на получение патента РФ.

На рисунке 6 изображен универсальный СНД (ротор с отражателями на конусах), работа которого осуществляется следующим образом. Исходные компоненты через 'загрузочное устройство 3 попадают на основание внутреннего конуса 8. Высота и угол наклона образующей конусов увеличивается от центра ротора к периферии. Сыпучие компоненты, под действием центробежных сил, начинают двигаться от центра основания к периферии и по поверхности внутреннего конуса 8. Далее они попадают на поверхность среднего конуса 9. на котором происходит частичное разделение потока первая часть которого попадает на отражатели 11 среднего конуса 9 и сбрасывается к его основанию, в результате чего происходит рециркуляция сыпучих компонентов и увеличивается накопительная способность аппарата. Вторая часть, под действием центробежной силы, попадает на внешний конус Ю.на котором происходит аналогичное разделение потока на части, одна из которых сбрасывается к внутренней поверхности корпуса 1, а другая, в результате установки отражательных элементов, возвращается к основанию конуса 10 для дальнейшего смешивания. Благодаря установки этих отражателей в шахматном порядке относительно друг друга, на среднем и внешнем

■о

Рисунок 4 - Центробежный смеситель с осевым вентилятором

Рисунок 5 - Центробежный смеситель с гибким шнеком

конусах 9 и 10 происходит частичная рециркуляция. Готовая смесь попадает в нижнюю часть корпуса 1и выводится из него через разгрузочный патрубок 4.

3

11—К

Рисуиокб -Универсальный СНДс отражателями

Рисунок 7 -Ротор с диспергирующими ножами

За счет установленных на среднем и внешнем конусах отражателей 11, в виде отдельных элементов тора одинаковых по размеру, в шахматном порядке относительно друг друга на разных конусах 8-10 по кромкам больших оснований с наююном к меньшим основаниям под углом 15-30°, увеличивается сглаживающая способность, повышается интенсивность и эффективность протекания процесса смешения.

Отражатели универсального смесителя является съемными, на их места можно устанавливать конические и диспергирующие ножи (рисунок 7). Это позволяет интенсифицировать процесс смешивания и диспергирования сыпучих компонентов, содержащих конгломераты, путем многократного разрушения последних. В результате этого процесс смешивания проходит в тонких разреженных слоях, благодаря чему удается:

- добиться удельной равномерной загрузки конусов ротора, что способствует равной толщине слоя материала на них;

- достичь того, что процесс смешивания происходит на уровне микрообъемов и отдельных частиц.

В четвертой главе представлены результаты исследований сыпучести различных пищевых материалов и их смесей.

При исследовании сыпучести некогорых материалов видно, что с увеличением площади истечения от 5/ до 5.» время высыпания материала из бункера (рисунок 8 А) уменьшается, наблюдается резкий скачёк времени при переходе от площади сечения зазора от к Л. Наименьшим временем истечения »з<««.уя обладают: соль т = 0,42 е., сахар т = 0,52 с. и пшено т = 0.59 с. А такие материалы, как сухое молоко и мука не высыпаются из отверстия при изменении площади от Я/ до 53.

Для предотвращения сводообрсзования частиц, обладающих адгезионными свойствами, в конической части бункера была установлена лопастная мешалка (рисунок 8 Б), вращающаяся с частотой равной 0.5 об/сек.

Исследования повторно провели на всех материалах во всём диапазоне изменения площади, с целью определения истечения сухого молока и муки, а также для выявления влияния лопастной мешалки на время высыпания остальных материалов.

Изучив полученные результаты, можно сделать вывод: хорошей сыпучестью обладают манка (Q = 265). сахар (Q = 469), пшено (Q = 414), соль (Q = 581); плохая сьшучестьу муки(0 = 29), исухого молока((2=81),

В результате обработки опытных данных получили кривые изменения сыпучести материалов от площади истечения (рисунок 9).

Рисунок 9 - Кривые изменения Рисунок 10 - Кривые изменения сыпучести

сыпучести материалов от смесей от плошади истечения

плошдаи истечения

Из рисунка 9 видно, что сыпучие материалы (мука сухое молоко), обладающие адгезионными свойствами при Б = 0.000225 м" не высыпаются без внешнего воздействия. С увеличением площади истечения сыпучесть данных материалов постепенно возрастает.

Затем провели эксперименты по определению сыпучести для трех смесей, имеющих различные физико-механические свойства

Полученные результаты представлены на рисунке 10 в виде кривых изменения сыпучести смесей от площади истечения.

Из рисунка 10 видно, что сыпучесть у смеси «соль - пшено» постепенно возрастает с увеличением площади истечения. Сыпучесть смеси «мука - сухое молоко» начинает проявляться при 5*= 0.002025 м2, однако немного снижает свое значение при за счет сводообразования частиц на конической части бункера из-за сильного взаимодействия когезионных сил между частицами. Смесь «сахар - мука» фактически не меняет своё значение сыпучести на протяжен™ всего изменения площади.

Наилучшей сыпучестью обладают частицы материала диаметр и плотность которых находятся в диапазонах 0.04^-0,09 мм и 135(М600 кг/ м3. соответственно. При этих параметрах наблюдается минимальное трение и сцепление частиц между собой, затрудняющие их взаимное перемещение.

Для оценки отношения сыпучести материала к силам инерции в его тонкослойном потоке нами был предложен критерий сыпучести (&):

где О - сыпучесть материалов. кг/(\гхс); р - плотность частиц материата кг/м3; йк -средний диаметр конуса ротора, по которому осуществляется движение частиц, м; п -частота вращения ротора с'1.

В результате проведенных исследований можно сделать вывод, что критерий сыпучести Si уменьшается с увеличением диаметра конуса ротора и частоты его вращения. Наибольшими значениями Si (0,2^0,35) обладают хорошо сыпучие материалы, однако из-за большой плотности частицы соли приближаются к значениям плохо сыпучих материалов (0.02-Ю,006).

Для получения критериального уравнения, описывающего процесс смешивания сыпучих материалов, необходимо рассчитать критерий мощности

Установлено, что KN возрастает с увеличением диаметра конуса ротора и частоты его вращения. Большими значешими Kw (-к 16) обладают плохо сыпучие материалы, а меньшими хорошо сыпучие (0,1 -Ю,42).

В ходе обработки полученных экспериментальных данных, с помощью программы «EXCEL», были получены критериальные уравнения процесса смешивания сыпучих материалов.

Приведем универсальные критериальные уравнения для хорошо и плохо сыпучих материалов:

В пятой главе приводятся результаты исследований конструкций центробежных смесителей непрерывного действия с целью определения рациональных режимов их работы. Цель большей части исследований - определение рациональных конструктивных и режимных параметров смесительного оборудования, проверка на практике предложенных нами конструкторских решений.

Исследовали картину распределения материальных потоков в рабочей камере СНД. Для определения значений составляющих скорости потока был использован универсальный центробежный смеситель, ротор которого изготовлен таким образом, чтобы на него можно было устанавливать конуса различных модификаций: гладкий конус, гладкий конус с лопастями, гладкий конус с волнообразной верхней кромкой, гладкий конус суглообразнымитурбулизагорами.

Величины составляющих скоростей материальных потоков, полученные в результате экспериментальных исследований, позволяют сделать следующие выводы.

Максимальные значения осевой составляющей скорости материальных потоков достигаются при использовании гладкого конуса с утлообразными турбулизаторами на исследуемых частотах вращения. Его скорость больше на 12 %, 8% и 7% по отношению к 1Уос замеренной на модификациях: гладком конусе, гладком конусе с лопастями, гладком конусе с волнообразной верхней кромкой, соответственно.

При частоте вращения ротора 10 с"1 скорость потока в радиальном направлении на гладком конусе с утлообразными турбулизаторами больше на 3 %, 1% и 17%, чем \Ур измеренные на гладком конусе, гладком конусе с лопастями, гладком конусе с волнообразной верхней кромкой, соответственно. Максимального значения ^достигает при частоте вращения ротора 24 с"1 на гладком конусе с утлообразными турбулизаторами.

При достижении окружной составляющей скорости в диапазоне 0,1 ..0,15 м/с наблюдается частичное вовлечение высокодисперсных компонентов в воздушное пространство рабочей камеры центробежного смесителя. При увеличении 1Уокр до 0,28

KN = 0,002 х Si-1,35, KN = 0,48 х Si"0'34.

(16) (17)

м/с наблюдается вихревое движение материальных потоков и, как следствие, это приводит к возникновению сегрегации получаемой смеси, который негативно сказывается на эффекпшности процесса смешивания. Особенно ярко эта картина наблюдается на модификации ротора в виде гладкого конуса с пропускными окнами и лопастями, вследствие дополнительной турбулизации материальных потоков, создаваемой при помощи дополнительного вешиляционного эффекта. Для того, чтобы устранить сегрегацию и увеличить эффекшвность смешивания предлагается установка внутри смесителя направляющих или отражательных элементов, позволяющих задать нужное направление воздушным потокам.

Также, исследовали движение воздушного потока на модификациях ротора с двумя и тремя конусами. Провели эксперименты на роторе с двумя конусами, с окнами и без окон, измерив составляющие потока воздуха в различных его точках.

По итогам экспериментальных исследований сделали следующие выводы.

Определили численные значения скоростей воздушных потоков в различных направлениях внутри рабочей камеры смесителя. Создали дополнительные устройства, создающие направленное движение пылевоздушных потоков.

Результаты изучения поведения и распределения скоростей воздушных потоков в рабочем объеме смесителей, состоящих из одного или нескольких конусов, позволили организовать направленное движение высокодисперсных компонентов (за счет установки торовых отражателей и конусного диффузора над ротором смесителя), находящихся в воздушном пространстве.

Данные экспериментальные исследования позволили увидеть картину движения воздушных потоков внутри центробежного смесителя. Результаты были использованы для того, чтобы спроектировать новые конструкции центробежных смесителей непрерывного действия с организацией направленного движения пылевоздушных потоков.

Затем провели исследования влияния различных конструкпшных элементов смесителя на качество смешивания.

Эксперимента проводились следующим образом. Ключевой компонент, в качестве которого использовался высокодисперсный ферромагнитный порошок, смешивали с одним из основных: сухое молоко, соль, манка Основной компонент подавался в СНД спиральным дозатором, производительность которого 0 = 0,5 м3/час. Ключевой компонент, объёмная концентрация которого в смеси варьировалась в пределах скк= 0,25 ^ б %, подавался в смеситель порционным дозатором. Концентрация ключевого компонента в выходящем потоке определялась с помощью электронного частотомера Частота вращения ротора СНД была принята равной п = 24 с"'. Результаты обработки опытов записывали в журнал наблюдений.

Следует отметить, что при смешивании компонентов с сильно различающимися дисперсными составами, качество получаемой смеси было несколько хуже. Это происходит вследствие достаточно сильного шшяния сегрегации. Полученные результаты также свидетельствуют о том, что центробежный СНД нашей конструкции позволяет получать смеси хорошего качества при соотношении компонентов 1:100, так как значение коэффициент неоднородности смеси при этом не превышало 6 ^ 8%. При соотношении же компонентов в диапазоне от 1:100 до 1:500, качество смеси можно считал, удоалетворетельиым.

Затем были проведены опьпы по исследованию качества смешивания на новых конструкциях ротора универсального смесителя.

Результатам проведенных экспериментов показывают следующее.

Ротор с гладким конусом является наиболее универсальным, так как при смешивании материалов с различной плотностью, гранулометрическим составом, размером, формой частиц и других характеристик, в нем получаются смеси с одинаковым качеством. Однако, при этом коэффициент неоднородности получаемых смесей равен 9 %, что говорит об удовлетворительном качестве получаемого проду кта.

Следующей исследуемой конструкцией СНД являлся смеситель с конусным ротором с волнообразной верхней кромкой. Её отличием от предыдущей конструкции является меньший Vc ~ 7 %. Также, к преимуществам данного СНД можно ошесги получение наиболее качественных плохосыпучих смесей на основе муки и сухого молока, по отношению к другим конфигурациям роторов.

На цешробежных смесителях с конусными роторами внутри которых установлены углообразные турбулизаторы получаются качественные смеси, но при смешивании материалов с плотностью частиц 500 + 570 кг/м3 наблюдается эффект диспергирования, что не всегда положительно сказывается на качестве получаемых смесей.

Для определения рациональных технологических и конструктивных параметров работы СНД (рис. 6) провели экспериментальные исследования, в которых варьировались следующие параметры: количество торовых отражателей Л от 4 до 8 шт., частота вращения ротора п - от 10 до 24 с'1, соотношение смешиваемых компонентов С - в диапазоне от 1:100 до 1:400.

В результате обработки экспериментальных данных с помощью программы «EXCEL», были получены регрессионные уравнения, описывающие влияние технологических и конструктивных параметров работы СНД на качество получаемых смесей.

Vc = 43,666+0,0399xC-0,499xn-8,636xh+

+0,0116xrr-0,612xh2. (19)

Определили, что смеси наилучшего качества (Ус = 3,2 4,4 %) получаются при следующих параметрах работы СНД:

- соотношение смешиваемых компонентов С = 1:100;

- частота вращения ротора п = 17с"';

- количество торовых отражателей h = 6 шт.

Смеси удоатетворотельного качества (Vc ~ 8%) получаются на данных параметрах при смешивании плохо сыпучих компонентов.

В шестой главе показано практическое использование результатов работы. Проведены опьпно-промышленные испытания разработанных смесительных агрегатов цешробежного типа с целью оценки эффективности использования нового СНД центробежного типа при производстве витаминизированных киселей и сухих завтраков на ООО НПО «Здоровое питание» г. Кемерово.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

1. СНД центробежного типа, которые характеризуются большой производительностью при малых массогабаритных и эенергетических показателях, целесообразно использовать при производстве сыпучих композиций с большим соотношением смешиваемых компонентов.

2. На основе кибернетического подхода и теории автоматического управления разработана математическая модель нового СНД центробежного типа, позволяющая прогнозировать качество смешивания исходных компонентов при известных функциональных зависимостях входных и внешних сигналов от времени и передаточных функций смесителей непрерывного действия цапробежного типа.

3. Разработаны три оригинальные конструкции центробежных смесителей непрерывного действия с направленной организацией движения материальных потоков. Техническая новизна одного из них защищена патентом РФ.

4. Получены численные значения сыпучести различных пищевых материалов и их смесей. Предложен критерий сыпучести, позволяющий описать поведение различных сыпучих материалов под действием сил инерции. Получены критериальные уравнения, описывающие процесс смешивания сыпучих материалов.

5. Определены рациональные конструктивные и технологические параметры работы нового центробежного смесителя непрерывного действия: соотношение смешиваемых компонентов С = 1:100; частота вращения ротора л = 17 с"1; количество торовых отражателей h = 6 шт.

6. Центробежный СНД прошел успешные опытао-промыщленные испытания и рекомендован ятя использования в аппаратурном оформлении стадии смешивания в технологических схемах получения витаминизированной киселей и сухих завтраков на ООО НПО «Здоровое питание» г. Кемерово.

Основные положении диссертации опу бликованы в следующих работах:

Работы, опубликованные в журналах, рекомендованных ВАК:

1. Бакин, И А Выбор рациональных параметров процесса приготовления мучных композиционных смесей/ ИА. Бакин, A.B. Шилов, ДВ. Сухорукое// Техника и технология пищевых производств.-2010,-№4,- С. 77 - 81.

2. Иванец, В.Н. Исследование направления и скорости воздушных потоков в рабочей камере цетробежного смесителя/ В.Н. Иванец, ДМ. Бородулин, ДВ. Сухорукое// Техника и технология пищевых производств. - 2013. - № 1. - С. 75 - 80.

3. Бородулин, ДМ. Моделирование смесительного агрегата, включающего в свой состав СВД работающий по методу последовательного разбавления смеси/ ДМ. Бородулин, А.И. Саблинский. Д В. Сухоруков// Хранение и переработка сельхозсырья - 2013. - № 10.- С. 46-48.

4. Бородулин, ДМ. Изучение критерия сыпучести и определение его взаимосвязи с динамическими и энергетическими характеристиками в объеме смесителя непрерывного действия,/ ДМ. Бородулин. ДВ. Сухоруков, С.С. Комаров// Известия ВУЗов. «Пищевая технология» - 2013. - № 5. - С. 74 - 78.

5. Бородулин, ДМ Исследование работы центробежного смесительного агрегата для получения смесей методом последовательного разбавления/ ДМ. Бородулин, А.И. Саблинский, A.A. Авдрюшков, да Сухоруков // Весппж КрасГАУ. -2013.-№5,- С. 210- 217.

6. Харитонов, В.Д Моделирование смесительного агрегата центробежного типа на основе кибернетического подхода/ В.Д Харитонов, ДМ. Бородулин. ДВ. Сухорукое, С.С. Комаров // Молочная промышленность.-2013,-№7.- С 77-79.

Патенты РФ:

7. Пат. 104867 РФ, МГЖ В01 F7/26 Смеситель-диспергатор / ИЛ. Бакин, О.С. Карнадуд, Да Сухорукое; заявитель и патентообладатель ИА Бакин, О.С. Карнадуд ДВ. Сухоруков.-№ 2010146619/05; заявл. 16.11.10; опубл. 27.05.2011, Бюл. № 19. -6 с.

Работы в зарубежных научных изданиях:

8. Borodulin, D.M. Research flowability of food materials / D.M. Borodulin, D.V. Sukhomkov, S.S. Komarov // Science, Technology and Higher Education, Materials of the П international research and practice conference Vol. П, Westwood, Canada.-2013.-P. 101 - 106.

9. Borodulin, D.M. Investigation of dynamic characteristics flowability/ D.M. Borodulin, D.V. Sukhomkov, S.S. Komarov // European Science and Technology, Materials of the IV international reseaichandpracticeconferenceVol.I.-Munich,Gerinany.-2013.--P. 146- 150.

10. Borodulin, D.M. Comparing efficiency of two centrifugal mixers producing dry combined mixtures / D.M. Borodulin, D.V. Sukhomkov // Science, Technology and High» EducatioivYIatcrials of the HI international research and practice conference.- Westwood, Canada.-2013.- P. 398 - 405.

11. Borodulin, D.M. Develoment of centrifugal mixing unit for medical for vertebroplasty cement compositions / D.M. Borodulin, D.V. Sukhorukov // Science and Education, Materials of the IV international research and practice conference Vol. I.- Munich, Germany.-2013.-P. 127- 129.

Работы, опубликованные в материалах всероссийских и областных конференции:

12. Сухорукое, ДВ. Исследование динамики воздушных потоков в рабочей камере центробежного смесителя/ ДВ. Сухорукое// Актуальные вопросы развили лицевой промышленности: материалы Всерос. заочн. научн.-пракг. конф. - Челябинск, 2011. - С. 80 -83.

13. Сухоруков, ДВ. Изучение структуры воздушных потоков на роторе цетробежного смесителя./ ДВ. Сухоруков// Пищевые продуют и здоровье человека: материалы IV Всерос. конф. с международным участием студентов, аспирантов и молодых ученых/ отв. Ред. А.Ю. Просеков.-Кемерово, 2011.-С. 554.

14. Сухоруков, ДВ. Исследование воздушных потоков в рабочей камере центробежного смесителя/ ДВ. Сухоруков// Сборник научных трудов VH конференции молодых ученых и специалистов научно-исследовательских институтов отдаления хранения и переработки сельскохозяйственной продукции Россельхозакадемии, - Москва 2013. - С. 92 - 95.

15. Бородулин, ДМ. Исследование составляющих скорости воздушных потоков при различном конструктивном исполнении рабочего органа центробежного смесителя/ ДМ. Бородулин, ДВ. Сухоруков// Кузбасс: образование, наука, инновации: материалы 1шновационногоконвента.-Кемерово, 2013.-С. 77-81.

16. Бородулин, ДМ. Исследование сглаживающей способности новой конструкции барабанного смесителя с регулируемыми лопастями/ ДМ. Бородулин, ДВ. Сухоруков, С.С. Комаров// Современные проблемы гуманитарных и естественных наук: материалы XV международной научно-практической конференции. - Москва, 2013. - С. 95 - 99.

ЛР № 020524 от 02.06.97 Полпнеано в печать 27.03.14. Формат 60*84' ^ Ьучага типографская. Гарнитура Times New Roman Уч.-нчд. л. 1.0. Тираж 90 ткт ЗаказJ637

('ригинал-макет наготовлен в лаборатории множительной техники Кемерове ко го технологического института пищевой промышленности 650002. г Кемерово, ул. 1 |нститутекая. 7

ПЛЛ№ 44-04 от 10.1094 Отпечатано в лаборатории множительной техники Кемеровского технологического института пищевой промышленности б?0002. г. Кемерово, ул. Институтская, 7

Министерство образования Российской Федерации

ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой

промышленности»

На правах рукописи

04201455607

СУХОРУКОВ ДМИТРИЙ ВИКТОРОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНОГО СМЕСИТЕЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ С ОРГАНИЗАЦИЕЙ НАПРАВЛЕННОГО ДВИЖЕНИЯ

МАТЕРИАЛЬНЫХ ПОТОКОВ

05.18.12 «Процессы и аппараты пищевых производств»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Бородулин Дмитрий Михайлович

Кемерово - 2014

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................... 4

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА НЕПРЕРЫВНОГО СМЕСЕПРИГОТОВЛЕНИЯ И ЕГО АППАРАТУРНОГО

ОБЕСПЕЧЕНИЯ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)................................. 10

1.1 Общие основы процесса смешивания................................... 10

1.2. Аппаратурное оформление процесса смешивания дисперсных материалов........................................................................ 17

1.3. Методики определения пылевоздушных потоков................... 39

Результаты и выводы по главе................................................ 46

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА

СМЕШИВАНИЯ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ

КИБЕРНЕТИЧЕСКОГО ПОДХОДА........................................ 47

2.1 Моделирование смесительного агрегата центробежного типа на

основе кибернетического подхода........................................... 47

Результаты и выводы по главе................................................ 59

ГЛАВА 3. АППАРАТУРНОЕ И МЕТОДОЛОГИЧЕСКОЕ ОФОРМЛЕНИЕ

ПРОЦЕССОВ СМЕШИВАНИЯ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ... 60

3.1. Описание лабораторного стенда....................................... 60

3.2. Дозировочное оборудование стенда................................... 62

3.3 Обоснование новых конструкций смесителей непрерывного действия.......................................................................... 63

3.3.1 Центробежный смеситель с осевым вентилятором.............. 64

3.3.2 Центробежный смеситель с гибким шнеком................... 66

3.3.3 Центробежный смеситель с направляющим диффузором .... 67

3.3.4 Универсальный центробежный смеситель.............................. 69

3.4 Методика определения концентрации ключевого компонента в смеси............................................................................ 72

3.5 Методика определения сыпучести материалов..............................................73

3.6 Методика определения картины распределения

пылевоздушных потоков в аппарате................................................................................78

Результаты и выводы по главе..............................................................................................80

ГЛАВА 4. СЫПУЧЕСТЬ МАТЕРИАЛОВ..........................................................................................81

4.1. Исследование сыпучести материалов..................................................................81

Результаты и выводы по главе..............................................................................................90

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ И РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЦЕНТРОБЕЖНОГО СМЕСИТЕЛЯ

НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ..........................................................................................91

5.1 Исследование картины распределения пылевоздушных потоков

в рабочей камере смесителя......................................................................................................91

5.2 Исследование универсального центробежного смесителя................99

Результаты и выводы по главе......................................................................................................105

ГЛАВА 6. ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ........................................................................106

6.1 Аппаратурное оформление процесса производства сухих завтраков....................................................................................................................................................106

6.2 Аппаратурное оформление процесса производства сухих

витаминизированных киселей..............................................................................................110

Результаты и выводы по главе......................................................................................................114

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ............................................................115

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................................................................................116

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................................................................................................................128

ВВЕДЕНИЕ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Необходимость обогащения продуктов питания биологически ценными компонентами вызывает неблагоприятная экологическая обстановка во многих регионах страны, включая Кузбасс.

Актуальна проблема получения многокомпонентных смесей заданного качества с определенными микробиологическими показателями в молочной промышленности. В хлебопекарной промышленности остро стоит задача получения продуктов, обогащенных биологически ценными элементами (производство смесей с подсластителями, витаминно-минеральными добавками, производство пшеничных и кукурузных хлопьев, соевой муки, сухого соевого молока).

Аналогичные проблемы стоят и перед другими отраслями промышленности, такими как: строительная (производство сухих смесей), фармацевтическая (производство витаминов, таблеток, цементов для лечения остеопорозных позвонков), химическая (производство различных красителей), агропромышленность (производство пищевых добавок).

Организация процесса смешивания в центробежных смесителях является одним из основных факторов, влияющих на качество получаемой продукции. Так как на больших частотах вращения ротора центробежного смесителя высокодисперсные компоненты (витамины, минеральные вещества, биологические добавки и другие энергетически ценные компоненты), входящие в состав смеси в минимальном количестве (1% и менее) поднимаются в пылевоздушное пространство над ротором, в результате чего происходит сегрегация получаемой смеси, негативно сказывающаяся на ее качестве. Определение направления и величин скоростей воздушных и материальных

потоков внутри рабочей камеры центробежного смесителя помогает организовать требуемое движение пылевоздушных потоков для повышения эффективности процесса смешивания при получении однородных по составу композиций заданного качества. Поведение частиц материала и воздушных потоков внутри рабочей камеры смесителя заключается в следующем.

При смешивании на частицы смешиваемых компонентов, кроме центробежной, действует еще и сила аэродинамического сопротивления воздуха. В результате этого частицы материала попадают в вихревое движение и находятся в вихревом потоке до момента выхода из аппарата. Процесс смешивания в вихревых потоках осуществляется из-за трения нижних слоев материала о поверхности ротора и в дальнейшем, о поверхности стенок смесителя. Так как воздух обладает определенной вязкостью, то его слои, прилегающие к внутренней поверхности вращающегося ротора, под действием сил вязкостного трения, также вовлекаются во вращение. На них начинают действовать аналогичные силы, что и на частицы компонентов смеси. Сыпучие материалы вовлекаются в движение и, образуют высокодисперсный пылевоздушный поток, имеющий турбулентный характер, вследствие сил аэродинамического сопротивления воздуха. Это явление вносит стохастичность в движении компонентов в рабочем объеме смесителя, приводящее к нарушению предусмотренных в конструкции аппарата направлений движения материалопотоков и к другим отрицательным эффектам, например к сегрегации — процессу сосредоточение частиц, имеющих одинаковые свойства в определенных местах объема аппарата, что значительно ухудшает качество получаемого продукта.

Несмотря на то, что в области смешивания проведён большой объём исследований, из-за существенного увеличения спроса на смесители центробежного типа, остаются недостаточно изученными вопросы, касающиеся повышения эффективности и интенсивности непрерывных процессов смешивания; изучения направления и скоростей пылевоздушных потоков для создания их направленного движения с целью повышения качества конечного продукта. В настоящее время, ведущими учеными в области смесеприготовления,

не изучено влияние воздушных потоков на качество смеси. Поэтому исследование направления и скорости движения составляющих воздушного потока в рабочей камере центробежного смесителя является актуальной научной проблемой, которая представляет практический интерес для различных отраслей производства.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами НИР ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности», грантом Министерства образования и науки РФ «Повышение эффективности получения однородных по составу сыпучих композиций в центробежном смесителе за счет изучения скорости высокодисперсных воздушных потоков и организации их направленного движения». Научным руководителем которой, является академик АТН РФ, профессор Иванец В. Н.)

Цель работы. Разработка новых конструкций эффективных смесителей непрерывного действия центробежного типа с организацией направленного движения материальных потоков для получения сухих многокомпонентных, смесей, определение рациональных параметров работы смесителя непрерывного действия (СНД) на основе математического моделирования и экспериментальных исследований.

Задачи исследований. В соответствии с поставленной целью в настоящей работе решались следующие основные задачи:

теоретическое и экспериментальное обоснование новых конструкций СНД центробежного типа для производства различных сыпучих смесей, обогащения их витаминами, минеральными веществами и микроэлементами;

математическое описание процесса смешивания в центробежных смесительных агрегатах на основе кибернетического подхода;

- исследование и определение численных значений сыпучести различных пищевых материалов и их смесей, определение критериального уравнения процесса смешивания, позволяющего определить мощность аппарата и охарактеризовать отношение сыпучести материала к силам инерции в его тонкослойном потоке;

- исследование картины распределения материальных потоков на различных конструкциях ротора нового СНД центробежного типа;

- исследование смесителя центробежного типа с целью определения его рациональных конструктивных и технологических параметров работы, обеспечивающих стабильность качества готовой продукции;

- проведение промышленных испытаний новых конструкций центробежного СНД в составе технологических схем производства витаминизированных киселей, сухих завтраков.

Научная новизна. Создана математическая модель

непрерывнодействующего смесительного агрегата центробежного типа на основе кибернетического подхода, позволяющая проанализировать возможность получения смесей заданного качества с учетом влияния внешних факторов. Предложен критерий сыпучести, позволяющий описать поведение различных сыпучих материалов, под действием сил инерции. Проведены исследования влияния материальных потоков внутри аппарата на качество получаемых смесей;Ф Найдены рациональные конструкционные и технологические параметры СНД, при которых получаются смеси заданного качества.

Практическая значимость и реализация. Результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса смешивания сыпучих материалов позволили разработать три новые конструкции СНД центробежного типа. Разработано аппаратурное оформление технологической линии процесса непрерывного смешивания, включающее в свой состав центробежный СНД новой конструкции в технологических схемах производства сухих завтраков, витаминизированных киселей на ООО НПО «Здоровое питание» г. Кемерово. Результаты диссертационной работы используется в учебном процессе на кафедре процессов и аппаратов пищевых производств ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» при подготовке бакалавров и магистров по направлению 15.04.00 «Технологические машины и оборудование»

На защиту выносятся: математическое описание процесса непрерывного

смешивания внутри СНД центробежного типа; результаты экспериментальных исследований получения смесей сыпучих материалов в новых конструкциях СНД центробежного типа; результаты исследований сыпучести пищевых материалов; картина распределения материальных потоков внутри аппарата.

Объектом исследования являлись новые конструкции эффективных СНД центробежного типа для получения качественных смесей с соотношением компонентов 1:100 и выше.

Предметом исследования являлось определение рациональных конструктивных, технологических и режимных параметров работы СНД центробежного типа; выявление закономерностей, влияющих на качество смешивания пищевых материалов.

Апробация работы: Основные положения, изложенные в диссертационной работе, были представлены и обсуждены на: ежегодных международных научных конференциях Кемеровского технологического института пищевой промышленности (2010-2013); VII конференции молодых ученых и специалистов-научно-исследовательских институтов отделения хранения и переработки сельскохозяйственной продукции Россельхозакадемии, 2013; Инновационном конвенте «Кузбасс: образование, наука, инновации», Кемерово, 2013; Современные проблемы гуманитарных и естественных наук. Материалы XV международной научно-практической конференции, Москва, 2013; Международной научно-практической конференции «Современные проблемы гуманитарных и естественных наук», Институт стратегических исследований, 2013; «Science, Technology and Higher Education», Materials of the II international research and practice conference Vol. II, Westwood, Canada, 2013; «European Science and Technology», Materials of the IV international research and practice conference Vol. I, Munich, Germany, 2013; «Science, Technology and Higher Education», Materials of the III international research and practice conference, Westwood, Canada, 2013; «Science and Education», Materials of the IV international research and practice conference Vol. I, Munich, Germany, 2013.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 работах, из которых 6 публикаций в журналах, рекомендованных ВАК, 4 публикации в зарубежных изданиях, 1 патент РФ. Подано три заявки на получение патента РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы и приложений; включает 48 рисунков, 26 таблиц. Основной текст изложен на 128 страницах машинописного текста, приложения - на 23. Список литературы включает 100 наименований.

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА НЕПРЕРЫВНОГО СМЕСЕПРИГОТОВЛЕНИЯ И ЕГО АППАРАТУРНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ (ОБЗОР

ЛИТЕРАТУРЫ)

В первой главе рассмотрено оборудование для производства многокомпонентных сухих смесей и проанализирована технология процесса смесеприготовления сыпучих материалов.

1.1 ОБЩИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА СМЕШИВ АНИЯ

Процесс смешивания широко применяется в различных отраслях производства: в пищевой промышленности - для образования эмульсий и суспензий, однородных смесей сыпучих материалов и других сплошных сред, для интенсификации процессов тепло- и массообмена; в химической промышленности - при производстве различных химических добавок; в сельскохозяйственной отрасли производства - при получении комбикормов и удобрений; в фармацевтической промышленности - при производстве костных цементов, лекарственных препаратов, премиксов, БАД; в строительном производстве - для получения сухих строительных смесей; при производстве композиционных материалов.

Процесс перемешивания сыпучих материалов можно охарактеризовать как пространственное перемещение частиц двух и более компонентов во всем смешиваемом объеме, с целью получения однородной по составу, физико-механическим и другим свойствам среды, при помощи импульса, передаваемого компонентам смеси механической мешалкой [38].

Важнейшей характеристикой, которую необходимо учитывать при процессе смешивания сухих компонентов, является сыпучесть материалов. Это сложная комплексная величина, которая зависит от нескольких физических показателей:

плотность, гранулометрический состав, форма и характер поверхности частицы. Композиции, состоящие из двух и более сыпучих компонентов, используются в различных отраслях промышленности. Наибольшее распространение получили смеси с размером частиц от 1 до 100 мкм. Несмотря на широкое применение сыпучих материалов и их смесей, явление «сыпучести» изучено не достаточно глубоко. Численные значения сыпучести различных материалов довольно затруднительно найти в справочных материалах ввиду их отсутствия. Также, проблематично найти универсальные зависимости, позволяющие математически описать и спрогнозировать процесс смешивания сыпучих материалов. В связи с этим определение сыпучести и величин факторов, влияющих на её значение, является актуальным для всех отраслей промышленности, использующих сыпучие материалы.

Смешивание сыпучего сырья характеризуется несколькими отличительными особенностями в отличие от подобных процессов, происходящих с газами и жидкостями. Для примера, отличительная способность сыпучих материалов заключается в том, что они представляются в виде совокупности твердых макрочастиц, а газ и жидкость представляются в виде отдельных атомов и молекул [61, 93, 97]. В результате этого, для проведения процесса смешения, нужно, приложить значительные внешние силовые воздействия, которые