автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.04, диссертация на тему:Разработка непрерывнодействующего смесительного агрегата для переработки сыпучих материалов

он

Г,',,,' На правах рукописи

ГАРБУЗОВА СВЕТЛАНА ЮРЬЕВНА

РАЗРАБОТКА НЕПРЕРЫВНОДЕЙСТВУЮЩЕГО СМЕСИТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ

Специальности: 05.18.04 - технология мясных, молочных

и рыбных продуктов. 05.18.12 - процессы и аппараты пищевых производств.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово 1996

Работа выполнена в Кемеровском технологическом институте пищевой промышленности

Научный руководитель - академик АТН РФ, доктор технических

наук, профессор В. Н. Иванец

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

П. Т. Петрик

- кандидат технических наук, доцент А. А. Борбышев

Ведущая организация Кемеровский молочный комбинат

Защита диссертации состоится г. в

О О '

¿0 час. на заседании диссертационного Совете Д 064.67.01 в Кемеровском технологическом институте пищевой промышленности по адресу: 650060, г. Кемерово, бульвар Строителей, 47.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кемеровского технологического института пищевой промышленности.

Автореферат разослан "//" ^¿/ССС996 г

Ученый секретарь диссертационного Совета / ,

' К '

кандидат технических наук, доцент . ¿¿Щ ' /Н. Н. Потипаева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Большое значение в таких отраслях промышленности, как пищевая, химическая, электротехническая, строительная и другие, занимают процессы по переработке сыпучих материалов, в частности, по приготовлению высококачественных смесей. Переход на аппаратурное оформление стадии смешивания порошкообразных материалов по непрерывной схеме дает возможность автоматизировать процесс, заметно уменьшить загрязнение производственных помещений и окружающей среды пылевыми выбросами, улучшить условия труда и культуру производства. При этом увеличивается производительность смесительного агрегата,снижаются его энергопотребление и металлоемкость, а также себестоимость готового продукта.

Вопросами теории процесса непрерывного смешения и его аппаратурного оформления занимаются отечественные ученые Макаров Ю. И., Ахмадиев Ф. Г., Зайцев А. И., Дорохов И. И., Иванец В. Н. и др., которые опубликовали ряд интересных исследований, посвященных этой проблеме. Однако, до последнего времени смесители непрерывного действия не получили широкого применения в промышленности из-за сложности дозирования в них потоков сыпучих компонентов в строго заданных соотношениях. Оснащение непрерывнодействующих смесителей высокоточными дорогостоящими питателями часто бывает экономически неоправданным. В частности недостаточно изучено совместное влияние входных сигналов, формируемых дозаторами, и динамических характеристик смесителей непрерывного действия (СНД) на качество готовой смеси. Этим определяется актуальность решения задач по совершенствованию рабочих органов СНД как по конструкции, так и по выбору оптимальных режимов работы смесительного агрегата на основе экспериментальных и теоретических исследований с использованием математических моделей процесса смесеприготовления

Диссертационная работа выполнена в соответствии с целевой региональной научно-технической программой "Кузбасс" (тема 2.7. "Интенсификация процесса смешения сыпучих материалов путем направленной организации их материальных потоков").

Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы является разработка высокоэффективного непрерывнодействующего агрегата центробежного типа для получения качественных смесей сыпучих материалов на основе теоретических и экспериментальных исследований процесса смешения и взаимного влияния сигналов дозаторов и динамических характеристик СНД на качество выходящего потока готовой смеси. В соответствии с поставленной целью сформулированы следующие задачи: формирование и математическое описание функционально-структурной схемы агрегата и разработка метода её исследования; нахождение алгоритма расчета рациональных динамических и конструктивных параметров разрабатываемого смесителя с учетом входных воздействий, оказываемых со стороны дозирующих устройств; проведение проверки разработанной математической модели смесителя на адекватность реальному процессу; разработка аппаратурного оформления стадий смешения сыпучих материалов для ряда отраслей промышленности с использованием предложенной автором конструкции СНД центробежного типа.

Научная новизна работы. На основе кибернетического подхода разработана и исследована математическая модель смесительного агрегата центробежного типа с направленной организацией материальных потоков за счет введения контура рецикла, позволяющая на основе ее анализа назначать рациональные режимы совместной работы дозаторов и смесителя; проведен теоретический анализ входных сигналов в непрерывнодействующем агрегате с помощью корреляционных функций, позволяющий прогнозировать качество

смеси в нём с учетом различной топологии материальных потоков; выявлены качественные и количественные закономерности сглаживания непрерывно-гармоничеких и дискретных входных воздействий смесителем непрерывного действия с разными инерционными свойствами.

Практическая ценность и реализация результатов. Развитие научных основ непрерывного процесса смешивания сыпучих материалов позволило разработать новую конструкцию СНД центробежного типа с направленной организацией материальных потоков в нём, обеспечивающую получение смесей заданного качества. Разработано аппаратурное оформление стадии непрерывного смешивания технологической схемы производства "сухого мороженного" производительностью 300 кг/час. Оно включает в свой состав центробежный смеситель. СНД прошел успешные опытно-промышленные испытания на Кемеровском молочном комбинате. С участием автора разработано аппаратурное оформление стадии непрерывного процесса смешивания при производстве сухой штукатурки, которое включает в свой состав центробежный смеситель, рекомендованный к внедрению на АО "Кемеровогражданс-трой". Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре "Процессы, машины и аппараты пищевых производств" Кемеровского технологического института пищевой промышленности.

На защиту выносятся : математическое описание процесса смешивания с использованием методов цифрового машинного моделирования, позволяющих в диалоговом режиме подобрать рациональные режимы работы непрерывнодействующего смесительного агрегата центробежного типа, необходимые для получения смеси заданного качества; результаты исследования сглаживания непрерывно-гармонических входных воздействий, формируемых дозаторами объемного типа, в центробежном СНД с изменяемой топологией потоков сыпучего

материала; новая конструкция СНД центробежного типа, позволяющая получать смеси заданного качества за счет рациональной организации материальных потоков в рабочем объеме смесителя, а также инженерная методика проектирования непрерывнодействующего смесительного агрегата.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на: ежегодных научных конференциях Кемеровского технологического института пищевой промышленности (1992 - 1996 гг); Научно-технической конференции "Теоретические и практические аспекты применения ИФХМ с целью совершенствования технологических процессов", Москва, 1992.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 1 положительное решение к заявке на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы и приложений, включает 4/ рисунок,таблиц. Основной текст изложен на страницах машинописного текста, приложения на^

стр. Список литературы включает 137 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

• Во введении обоснована актуальность и сформулирована цель работы, приведена ее общая характеристика. В первой главе приведен анализ научно-технической и патентной литературы по вопросам, связанным с повышением эффективности процесса смесеобразования в аппаратах непрерывного действия и приведено обоснование выбора в качестве объекта исследования СНД центробежного типа, обладающего регулируемой способностью сглаживать флуктуации мгновенных расходов входных потоков. Проведен анализ современного состояния математического описания непрерывного процесса смешения материалов и показана целесообразность использования при его моделировании кибернетического метода. Рассмотрены состояние и перспективы развития смесительного оборудования центробежного типа для

переработки сыпучих материалов и сформулированы требования, которым должны удовлетворять новые конструкции СНД.

Во второй главе рассматривается метод исследования процесса смешивания сыпучих материалов, базирующийся на кибернетическом подходе. При этом используются методы цифрового моделирования динамических систем на базе автоматизированного комплекса СМ ЭВМ. Объектом исследования являлись системы, состоящие из дозирующего блока и СНД центробежного типа. Входные воздействия на СНД со стороны дозирующих устройств имели форму непрерывно-гармонического типа. Функционально-структурная схема (ФСС) для смешения сыпучих материалов (рис.1) содержит два дозирующих устройства

Др Д2, выдающих сигналы непрерывно-гармонического и дискретного вида, и СНД.

Д1

ХВх,(*) + СНД

д2

Хвых(*)

Рис. 1.

ФСС смесеприготовительного агрегата

Передаточную функцию (ПФ) всей системы найдем по

известному выражению

Ws(S) = Wc(S)■ÍWDi(S)

(1)

И/к(5) - передаточная функция ¡-го дозатора.

Моделируя реальный смеситель сочетанием звеньев чистого запаздывания и инерционных, его фильтрующие свойства можно охарактеризовать годографами частотных ПФ, которые, в свою очередь, можно представить звеном второго порядка с запаздыванием :

1/1/ Кс ехр(-^)

И/с (5) = ——^—-г——- (2)

Т^+ГЯ + Г

где Кс - коэффициент передачи [Кс= 1) ; г - время запаздывания ; ТС), ТС2 - постоянная времени СНД (инерции).

Используя совместно теоремы линейности и масштабности, на основании преобразования Лапласа, описание изменения концентрации дозируемого материала со стороны дозатора будет иметь вид :

= хт ] ехр (-^{(Бтсо ■ 0 + [Щ)м =

о

= хт | ] Зт{а ■ г) ■ ехр (-ЭЦсП + | [7(0] • ехр(-5Г )с№ | =

_ +х+со-Б + со2

Э2 + со2 Б т

Тогда ПФ системы с учетом выражений (2) и (3) будет равна

,.,/сл ^„(г^иЭ + а^ехрЬгЗ)

Таким образом, сигнал выходной концентрации запишется в

виде

= ЧХ«(0]г(0 (5)

где И/ф(5) - ПФ фиктивного звена при нулевых начальных условиях;

1Л/С{8) = в{8)/ 0(5) - пф смесителя;

С(Б), 0(Б) - полиномы числителя и знаменателя ПФ СНД. При использовании в качестве звена рецикла устройства мгновенного переноса части выходящего потока 1/1/^ (5) = С2, ПФ

системы, являющаяся изображением реакции смесителя на сигнал суммарной концентрации, будет иметь вид

И№) = г-—-т (6)

(1 + Я)0(5)' -йв{3)'С2

■де / - индекс, соответствующий типу смесительного агрегата, определяющий конкретный вид полинома числителя ПФ. Следующий этап анализа смесительной системы предусматривает формирование моделей исследуемых структур в виде сигнального рафа, который вводится в ЭВМ в диалоговом режиме.

Схема сигнального графа смесительного агрегата.

На рис. 2 дуга I - ПФ фиктивного звена, определяющего переменную составляющую потока Ст =a>/(S2+W2) ; дуга II - ПФ фиктивного звена вида Сд / 2S ; дуга III - ПФ смесителя WCt = Кс ■ exp(-rS)/(7"cS + 7) ; дуга IV - ПФ рецикл-канала Wc .

В памяти ЭВМ формируется определенная топологическая структура, соответствующая реальному составу системы. Определение частотных и временных характеристик системы производятся с применением числовых методов машинного анализа.

В третьей главе рассматриваются вопросы аппаратурного и методического обеспечения экспериментальных исследований. Для изучения непрерывнодействующего смесительного агрегата был разработан стенд, включающий в свой состав центробежный СНД, блоки дозаторов, управления и измерительных приборов, регистрации. Основным объектом исследования являлся центробежный смеситель, отличающийся от других конструкций СНД рециркулирующим устройством.

В цилиндрическом корпусе смесителя, составленном из нескольких царг, на общем валу, получающем вращение от электродвигателя, укреплены пакеты роторов, состоящих из верхней и нижней конических тарелей. Смешиваемые компоненты через входные патрубки поступают одновременно на нижнюю и верхнюю тарели ротора. Под действием центробежных сил инерции частицы материала поднимаются по конусу и затем сбрасываются в виде пылевидного факела. Смешивание происходит в факеле и на внутренней поверхности СНД.

Использование рециркулирующего устройства позволяет организовать напрвленное движение материальных потоков внутри аппарата, тем самым, улучшить качество перемешивания, за счет повышения его "инерционности"

При исследованиях использовались сыпучие материалы с различными физико-механическими характеристиками. Для интенсификации процесса проведения экспериментальных исследований в качестве ключевого компонента использовался ферромагнитный трассер -железный порошок. Регистрация концентрации трассера в выходящем потоке готовой смеси осуществлялась с помощью измерительного прибора, работа которого основана на измерении частоты колебаний индуктивно-емкостного контура.

Были найдены экспериментальные функции распределения времени пребывания, при помощи которых затем были определены передаточные функции СНД.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям дозаторов, разработанной конструкции СНД и агрегата в целом, а также сопоставлению результатов физического и машинного моделирования. Установлены факторы, оказывающие определяющее воздействие на погрешность работы спирального и порционного дозаторов сыпучих материалов. Определены корреляционные функции входных сигналов и сделана количественная оценка их параметров. Сформирован граф входных воздействий дискретного и непрерывно-гармогического вида.

ПФ смесителя определены графоаналитическим методом. Их выражения, вычисленные для прямоточного СНД и смесителя с рециклом, приведены в табл. 1.

Таблица 1

Вид центробежного СНД Передаточная функция смесителя

Прямоточный 1 ~

С рециклом £-8,55

69Э + 1

Мр(з) =

14,06 ■ в2 + ЗОБ

Математическую модель системы смешивания вводили в СМ ЭВМ в виде сигнального графа (рис. 2) и проводили ее полный анализ с помощью пакета диалоговых программ.

Анализ результатов исследований показал, что на частотах, начиная с 0,20 С"' и выше, центробежный СНД работает в режиме, близком к режиму идеального низкочастотного фильтра. В реальных условиях целесообразно работать на частотах в диапазоне о> = 0,1...1 С1, т. к. выход из этих границ вызывает значительное увеличение фазового сдвига выходного сигнала. Это, в свою очередь, приводит к возрастанию продолжительности процесса смешивания, необходимого для получения смеси заданного качества. Найдены оптимальные частотные и временные диапазоны работы центробежного СНД.

По результатам машинного моделирования рассчитаны частотные характеристики системы и построены годографы ПФ центробежного СНД (рис. 3, 4).

На основании их анализа определены значения частот сигналов дозаторов, необходимых для обеспечения требуемых величин сглаживания.

Для центробежных СНД с различной топологией материальных потоков с целью определения рациональных условий проведения процесса смешивания был проведен полный факторный эксперимент 23. В результате его реализации и обработки экспериментальных данных были получены математические модели в виде уравнений регрессии, анализ которых позволил определить факторы наиболее влияющие на параметр оптимизации (коэффициент неоднородности). К ним относятся частота вращения ротора, расстояние между верхней неподвижной и нижней вращающейся многоступенчатыми тарелями рециркулирующего устройства, углы конусности верхней и нижней многоступенчатых тарелей.

1

■.-163

.-69Б + 1

Рис.3. Годограф частотной ПФ прямоточного центробежного СНД.

1) граница области сглаживания в 2,5 раза;

2) граница области сглаживания в 5 раз;

3) граница области сглаживания в 10 раз.

_ 8,5 в

1^(5) =

ехр"

14,06 32 + ЗОБ+ 1

-4^1; и ¡,4 -Х1л

\0, 19 с-1)[ (0,26сГ1!

Рис. 4. Годограф ПФ центробежного СНД с рециклом.

1) граница области сглаживания в 2,5 раза;

2) граница области сглаживания в 5 раз;

3) граница области сглаживания в 10 раз.

-14В пятой главе показано практическое использование результатов работы.

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На основе кибернетического метода разработана математическая модель непрерывнодействующего СНД центробежного типа с регулируемой направленной организацией потоков. С помощью частотно-временного анализа установлено, что на частотах, начиная 0,2 С'1 и выше СНД работает как идеальный низкочастотный фильтр. В реальных условиях целесообразно работать на частотах в диапазоне 0,1...1,0 С"1, что обеспечивает степень сглаживания флуктуаций входных сигналов в пределах от 2,8 до 26,3 раз и позволяет получить смеси заданного качества.

2. Получена математическая модель функционально-структурной схемы непрерывнодействующего смесительного агрегата центробежного типа, когда на вход в СНД со стороны дозаторов поступают сигналы непрерывно-гармонического и дискретного вида, позволяющая в диалоговом режиме с ЭВМ подобрать рациональные параметры его работы, необходимые для получения смесей заданного качества.

3. Предложена конструкция центробежного СНД, техническая новизна которого защищена положительным решением на заявку. Определены передаточные функции и выявлены основные параметры, оказывающие наибольшее влияние на качество смеси. Экспериментальная проверка результатов машинного моделирования смесительного агрегата подтвердила адекватность разработанной математической модели процесса смешения сыпучих материалов.

4. Непрерывнодействующий смеситель с направленным движением материальных потоков, разработанный при непосредственном участии автора рекомендован для использования при аппаратурном оформлении стадий смешения в новых технологических схемах для получения :

а) сухого мороженного "Сливочное" на Кемеровском молочном комбинате;

б) нового композиционного материала - сухая штукатурка на АО "Кемеровогражданстрой".

ПЕРЕЧЕНЬ ПУБЛИКАЦИЙ

Основное содержание диссертации опубликовано в научных трудах.

1. Иванец В. Н., Гарбузова С. Ю., Крохалев A.A. Центробежный смеситель с направленной организацией материальных потоков. // Теоретические и практические аспекты применения ИФХМ с целью совершенствования технологических процессов: Тез. докл. научн.-практ. конф. - Москва. - 1992. - С. 47.

2. Иванец В. Н., Гарбузова С. Ю. Разработка центробежного смесителя с регулируемой инерционностью. // Сборник научных трудов "Совершенствование техники и технологии в пищевых отраслях промышленности". Кемерово. - 1994. - С. 71.

3. Иванец В. Н., Гарбузова С. Ю. Реконструкция непрерывнодействующего смесителя центробежного типа с целью увеличения сглаживающей способности. // Сборник научных трудов "К совершенствованию технологических процессов и оборудования пищевой промышленности". Кемерово. - 1994. - С. 3-8.

4. Иванец В. Н., Гарбузова С. Ю. Разработка центробежного смесителя с регулируемой инерционностью. // Информационный листок № 60 - 95, Серия Р. 65. 13. 13., Кемеровский ЦНТИ. Кемерово. - 1994.

5. Иванец В. Н., Гарбузова С. Ю. Исследование центробежного смесителя с регулируемой инерционностью. // Сборник научных трудов "Новое в технике и технологии пищевых отраслей промышленности". Кемерово. - 1995. - С. 62 - 64.

6. Иванец В. Н., Гарбузова С. Ю. Смеситель непрерывного действия центробежного типа с рециркулирующим устройством . //

Тез. научных работ. "Комбинированные пищевые продукты". Кемерово. - 1996. - С. 58 - 60.

7. Иванец В. Н., Гарбузова С. Ю. Исследование смесителя непрерывного действия центробежного типа с рециклом для переработки сухих молочных продуктов. // Сборник научных трудов "Перспективные технологии производства пищевых продуктов". Кемерово. - 1996. - С. 106-110.

8. Положительное решение от 4.01.96 г. по заявке N2 951016 43/33, Центробежный смеситель. Гарбузова С. Ю., Иванец В. Н., Шушпанников А. Б. Заявлено 02. 02. 95 г.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ФРВП - функция распределения времени прерывания

I - переменная Лапласа

\/с - коэффициент неоднородности смеси

ФСС - функционально - структурная схема

(о - частота колебаний

И/с (5), 1Ур(5) - передаточные функции

КОЦМИ, 1996 г. Заказ №

Тираж - 100 экземпляров.