автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Разработка непрерывнодействующего смесительного агрегата центробежного типа для получения сухих многокомпонентных композиций

На правах рукописи

АВЕРКИН СЕРГЕЙ ВАСИЛЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА НЕПРЕРЫВНОДЕЙСТВУЮЩЕШ СМЕСИТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА ЦЕНТРОБЕЖНОГО ТИПА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СУХИХ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

Специальность: 05.18.12 - процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово 2004

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Процессы переработки сыпучих материалов, в том числе получение однородных по составу сухих или увлажненных многокомпонентных смесей, применяются во многих отраслях промышленности. Например, в производстве молочных и кондитерских изделий этот процесс используется для получения различных комбинированных продуктов питания и полуфабрикатов на основе сухого молока. Расширяется ассортимент сухих пищевых концентратов (витаминизированные смеси, сухие напитки и т.п.). При этом основная трудность заключается в равномерном распределении исходных компонентов по объему смеси, если их содержание отличается в десятки и сотни раз.

В настоящее время процесс смешивания дисперсных материалов осуществляется, как правило, на морально устаревшем оборудовании периодического действия. При этом качество получаемых композиций и интенсивность процесса часто не удовлетворяют современным требованиям. Оснащение же производственных линий более новой, как правило, импортной техникой связано с большими материальными затратами, что не всегда выгодно с экономической точки зрения.

Перспективными направлениями в технологиях переработки сухих и увлажнённых материалов являются: переход на аппаратурное оформление стадии смешивания по непрерывной схеме; разработка принципиально новых конструкций смесителей, осуществляющих процесс в тонких или разреженных слоях для обеспечения интенсивного перераспределения частиц; организация направленного движения материальных потоков.

Вопросам теоретического и экспериментального исследования процесса непрерывного смешивания дисперсных материалов и его аппаратурного оформления посвящено достаточно большое количество работ и публикаций. Однако, до настоящего времени, смесители непрерывного действия (СНД) не получили широкого распространения в промышленности, главным образом, из-за сложности непрерывной подачи исходных компонентов в строго заданных соотношениях. В частности, недостаточно изучено совместное влияние входных сигналов, формируемых дозаторами, и динамических характеристик СНД на качество готовой смеси, особенно при соотношениях компонентов порядка 1:100. Также мало изучены вопросы, связанные с получением качественных смесей, содержащих добавки жидкости. Вышесказанное определяет актуальность настоящей работы.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом НИР по гранту Министерства образования Р Ф -067-1238 уНаучип-прястидагемр в ы разработки непрерывнодействующих

ешйШ^надШй.

библиотека г

С. Петербург

ОЭ МО^М»

типа с

регулируемой инерционностью для получения сухих и увлажненных композиционных материалов», а также в рамках хозяйственно-договорной темы №2002/08 от 01.04.2002г. «Разработка аппаратурного оформления процессов транспортировки сырья, диспергирования и гомогенизации компонентов и полуфабрикатов в производстве мороженого», заключенной между Кемеровским технологическим институтом пищевой промышленности и ОАО «Кемеровский хладокомбинат».

Цель работы — разработка конструкции высокоэффективного непрерывно-действующего смесителя центробежного типа, обладающего регулируемой инерционностью, для получения сухих многокомпонентных композиций на основании результатов теоретических и экспериментальных исследований процесса смешивания.

Задачи исследований. В соответствии с поставленной целью в настоящей работе решались следующие основные задачи: моделирование процесса смешивания в непрерывнодействующем агрегате центробежного типа с организацией направленного движения материальных потоков с помощью корреляционного анализа и математических моделей усреднения; реализация математической модели СНД с помощью методов цифрового машинного моделирования и проверка её на адекватность реальному процессу; разработка и экспериментальное исследование новой конструкции СНД центробежного типа с организацией направленного движения материальных потоков, обеспечивающей получение качественных смесей при соотношении смешиваемых компонентов 1:100, а также разработка методики инженерного расчета смесительного агрегата.

Научная новизна. На основе корреляционного анализа созданы математические модели непрерывнодействующего смесительного агрегата (СА) центробежного типа с различными контурами рециклов материальных потоков, позволяющие проанализировать возможность получения смесей заданного качества с учётом его инерционных свойств; предложена методика инженерного расчета смесительного агрегата на базе СНД центробежного типа, позволяющая прогнозировать однородность получаемой композиции с учетов воздействий, оказываемых со стороны дозирующих устройств.

Практическая значимость и реализация. Результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса смешивания дисперсных материалов позволили разработать новую конструкцию СНД центробежного типа с организацией направленного движения материальных потоков. техническая новизна которого защищена патентом РФ. При непосредственном участии автора разработано аппаратурное оформление стадий приготовления жидкого полуфабриката в технологической схеме производства мороженого

производительностью до 1000 кг/час. Проведены успешные опытно-промышленные испытания смесительного агрегата на ОАО «Кемеровский хладокомбинат». Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре «Процессы и аппараты пищевых производств» КемТИППа, в лекционных курсах, дипломном и курсовом проектировании.

На защиту выносятся: математическое описание процесса непрерывного смешивания при различных схемах движения материальных потоков внутри СНД центробежного типа с использованием элементов корреляционного анализа и моделей усреднения; новая конструкция центробежного СНД и результаты экспериментальных исследований процесса смешивания дисперсных материалов в нем; методика проектирования и расчета смесительного агрегата центробежного типа.

Апробация работы. Основные положения, изложенные в диссертационной работе, были представлены и обсуждены на международном симпозиуме «Федеральные и региональные аспекты государственной политики в области здорового питания» (Кемерово: КемТИПП, 2002); на всероссийском конгрессе по торговле и общественному питанию «Технологические и экономические аспекты обеспечения качества продукции и услуг в торговле и общественном питании» (Кемерово: КемТИПП, 2003); на региональных и всероссийских научно-практических конференциях «Развитие пищевой промышленности Сибири в XX-XXI веках» (Кемерово: КемТИПП, 2003), «Достояние науки и практики в деятельности образовательных учреждений» (Кемерово: КемТИПП, 2003), «Пища, Экология, Человек» (Москва: МГУПБ, 2003); изложены в материалах ежегодного сборника научных работ Кемеровского технологического института пищевой промышленности «Технология и техника пищевых производств» (Кемерово: КемТИПП, 2004).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 работ и получен один патент РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и приложений; включает 30 рисунков, 7 таблиц. Основной текст, включая рисунки и таблицы, изложен на 115 страницах машинописного текста, приложения - на 19 страницах. Список литературы включает 125 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и сформулирована цель работы, приведена ее общая характеристика.

В первой главе проанализированы проблемы и достижения в области смешивания сыпучих материалов, а также возможные методы математического моделирования этого процесса. Проанализировано состояния и выявлены

перспективы развития оборудования для смешивания сыпучих материалов, показана целесообразность использования СНД центробежного типа для проведения данного процесса, которые характеризуются высокой производительностью и интенсивностью смешивания. Кроме этого, сформулированы требования к конструкциям центробежных СНД нового поколения.

Во второй главе рассматриваются вопросы математического моделирования процесса смешивания сыпучих материалов. Главное внимание уделяется анализу структур материальных потоков внутри аппарата с помощью теории корреляционных функций и моделей усреднения.

На первом этапе проведен корреляционный анализ двух схем организации движения материальных потоков в центробежном СНД (рис. 1).

Рассмотрим для примера схему А (рис. 1), по которой была разработана соответствующая конструкция смесителя, ставшая главным объектом исследования в данной работе. Покажем, что наличие опережающих потоков и рециркуляции материала существенно снижают погрешности дозирования исходных компонентов, а, следовательно, позитивно влияют на качество получаемой смеси. Составим материальный баланс и на его основе систему уравнений, определяющую корреляционные функции потоков.

' XI = Хо+Р'Х4 Х2=(1-У1)-Х!

< х3=(1-Г2)-х2 _ _ ;

Х4=У1-Х1+^Г2-Х2+Х3

' КХ! (т) = Кх0 (т)+р2 -Кх7(1) Кх 2 (т) = (1 - У1) • Кх7(т)

Ч Кх3(Т) = (1-У2);КХ2(Т) _ _ Кх4(т)=у12-Кх1(т)п1.Кх2(т)+Кх3(т) ^Кхв(т) = (1-Р)2-Кх4(т) (2)

(2)

где Хо и Кхо(х) — поток материала, поступающего в смеситель, и его корреляционная функция; XJ и КхДт) — поток материала, поступающего на 1-ю ступень (конус) смесителя, и его корреляционная функция, I = 1...п; хд и Кз^(т).— поток материала, выходящего с ступени (конуса) смесителя, и его корреляционная функция, I = 1...П; хв и Кхв(т) — поток материала, выходящего из смесителя, и его корреляционная функция; ^ - коэффициент опережения, показывающий какая часть общего потока идет «в обход» ступени, I = 1...п; Р - коэффициент рециркуляции; п - количество ступеней; Т - интервал корреляции. Рассматривая влияние на величину сглаживания входных флуктуаций только схемы движения потоков, справедливо сделать допущение, что КхДт^КхДт). Тогда система (2) примет следующий вид:

гКхг(т)=Кх0(т)+р2-Кх4(т) Кх2(т)=(1-у1)2-(Кх0(т)+р2.Кх4(т))

Кхз(т)=(1-у2)2.(1-У1)2-(Кх0(т)+р2.Кх4(т))

Кх4(т)=у,2-(Кх0(т)+Р2-Кх4(т))+

(3)

V

= (кх0(г)+р2-Кх4(т))(у?+у|-(1-у1)2+(1-у2)2.(1-У1)^) КХв(Т)=(1-Р)2-КХ4(Т).

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

Известно, что корреляционная функция стационарного процесса при т=0 равна дисперсии возможных значений его параметра в данный момент времени, т.е. Кх(0) = Стх. Тогда можно записать

При 41 ~ Чг = 0,33 (33%) и р =0,1 (10%) дисперсия входного потока снижается в 3,4 раза, если же = Ъ = 0,5 (50%) |и= 0,2 (20%) дисперсия входного потока снижается в 4,1 раза, т.е. организация опережающих потоков и рециркуляции материала действительно снижают погрешности дозирования исходных компонентов и позитивно влияет на однородность смеси.

Анализируя подобным образом схему В (рис. 1), получим в итоге следующее выражение

(1-у)2р2+у2

<=(1-у)2(1-Р)2 1+(1-Рз)2

1

И:-

(6)

где у, Р, Рз - коэффициенты перераспределения и рециркуляции материала. Вычисления показывают, что при р = Рз = 0,1 (10%) и у = 0,33 (33%) дисперсия входного потока снижается в 2,5 раза, а если =0,2(20%) и =0,5

(50%), то в 5,2 раза. Сравнивая результаты расчетов по двум представленным схемам, можно сказать, что они практически равноценны. Учитывая, что при организации движения материала по схеме А, процесса смешивания будет характеризоваться меньшими удельными затратами энергии, предпочтение было отдано именно этой схеме (с двумя конусами без мешалки).

На втором этапе было проанализировано влияние процесса усреднения материальных потоков при их движении внутри аппарата. С этой целью использовался оператор текущего (скользящего) среднего Л.П. Шупова, который в несколько упрощенном виде запишется следующим образом

Хв(0 = 1 |Х(«)Л,

(7)

1-Т

где Хф* и Хв(0;- потоки на входе и выходе со ступени смесителя соответственно; Т - время усреднения (время пребывания материала на ступени смесителя); X - текущее время.

Корреляционная функция и дисперсия стационарной случайной функции, преобразованной по этому оператору, соответственно равны

(8) (9)

Предположим, что корреляционная функция стационарного потока материала, поступающего в смесительное устройство, имеет вид

ВД=ст£е-вМ, (10)

где а ■ - коэффициент пропорциональности, характеризующий скорость убывания корреляционной функции с ростом интервала времени т. Дисперсия выходящего потока, в этом случае, будет равна

<*Хв = 2

} (Т-г^е^'«*

Т2 „

Вычислив данный интеграл, получим следующее выражение

(11)

(12)

аТ ' аТ

Результаты проведенных расчетов показали, что за счет процесса усреднения на каждой ступени смесителя можно достичь снижения дисперсии входного потока на 20-25 %. Учитывая вышеизложенное, для более корректных расчетов будем считать, что на каждой ступени смесителя за счет усреднения дисперсия и корреляционная функция потока уменьшаются на 20%, т.е.

. В таком случае система (2) запишется в виде

Кж4 (т)=У 12"о,8кх1 (т)+у I • 0,8Кх 2 (т)+0,8Кх3 (т)

Решением полученной системы будет выражение

Кхв (т)=0,8(1 - Р)2 Кхо (т) х

;с (0,8у?+0,82у1-(1-У|)2+0,83(1-у2)2-(1-У1>2) 1-0,8Р2 -(0,8у1 +0,82у1 -(1-У1)2+0,83(1 -у2)2 ап)2)

Соответственно

а2в(т)=0,8(1-Р)2а?(т)х

(15)

1-0,8р2 -(0,8У12 +0,82у1 -(1-У1)2+0,83(1-у2)2-(»-уО2)

Расчеты показывают, что результаты, получаемые по формулам (5) и (15), различаются примерно в 2 раза, т.е. в нашем случае процесс усреднения позволяет снизить дисперсию входного потока примерно вдвое. Таким образом, совместное влияние организации направленного движения материальных

(14)

потоков и процесса усреднения позволяют снизить дисперсию входного потока примерно на один порядок.

Полученные математические выражения дают возможность прогнозировать значение коэффициента вариации (Ус) концентрации ключевого компонента смеси (далее по тексту коэффициент неоднородности смеси) при известных параметрах дозирования исходных ингредиентов.

В третьей главе рассмотрены вопросы аппаратурного и методологического обеспечения экспериментальных исследований. Приведено описание лабораторно-исследовательского стенда, который включает в свой состав блок дозаторов, СНД центробежного типа, блоки управления и измерительных приборов, отбора и анализа проб.

Дано описание конструкции и принципа действия разработанного СНД центробежного типа, принципиальная схема которого представлена на рис. 2. Смеситель состоит из следующих элементов: вертикального конического корпуса 1, в котором расположено приемно-распределителыюе устройство 2 конической формы, крышки 3 с загрузочными патрубками 4. На полом валу 5 крепится внутренний конус 6. Внутри полого вала 5 содержится сплошной вал 7, на котором крепится внешний полый усеченный тонкостенный конус 8, обращенный меньшим основанием вниз. Верхняя кромка внешнего конуса переходит в торообразный отражатель 9 с окнами 10. На поверхности внутреннего конуса расположены два ряда окон 11. Высота и угол наклона образующей внешнего конуса к его основанию больше, чем у внутреннего. Приводной вал 5 крепится в подшипниковом узле 12 и приводится во вращение при помощи клиноременной передачи 13 от электродвигателя 14. Приводной вал 7 вращается в подшипниковом узле 15, расположенном внутри полого вала 5. Вращательное движение ему сообщается от электродвигателя 14 через одноступенчатый редуктор 17 и клиноременную передачу 16.

Смеситель работает следующим образом. Сыпучие компоненты дозаторами подаются через загрузочные патрубки 4 и попадают на поверхность приемно-распределитсльного устройства 2, откуда равномерно ссыпаются на основание внутреннего конуса 6, где под действием сил инерции растекаются по его поверхности. При этом траектория их потока относительно конуса закручена в сторону, противоположную направлению вращения. Поток, двигаясь по поверхности конуса 6 и достигнув окон 11, делится на части. Одна из них, через нижний ряд окон, опережающим потоком переходит на внешний конус 8, при этом материал закручивается в обратную сторону (сечение А-А). По мере движения потока по внутренней поверхности конуса 8, происходит его последовательное наложение и интенсивное перемешивание с потоками пришедшими через второй ряд окон 11 и с вершины внутреннего конуса 6. Затем суммарная смесь достигает торообразного отражателя 9 и повторно делится на части: одна проходит через окна 10, расположенные на отражателе, а другая возвращается на внутренний конус 6, где накладывается на поток исходных компонентов поступающих в смеситель. Таким образом,

осуществляется внешняя рециркуляция. Смесь, прошедшая через окна отражателя 10, ссыпается по коническому корпусу 1 и выводится из смесителя. Интенсификация процесса смешивания и сглаживание флуктуации входных потоков достигается за счет перераспределения их по двум конусам с организацией опережающих, перекрещивающихся разреженных потоков материала. Это, а также осуществление обратной рециркуляции смеси в аппарате, способствуют улучшению качества смешивания компонентов.

17 13 16

Рис. 2. Цяпробежный СНД с котурами опережающих потоков и рециркуляцией смеси

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 прибора, работа которого основана на измерении частоты колебаний индуктивно-емкостного контура

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований работы смесительного агрегата. Произведен их сравнительный анализ с результатами реализации математических моделей, разработанных нами. Цель большей части исследований - определение рациональных режимов работы дозирующего и смесительного оборудования, проверка на практике предложенных нами конструкторских решений.

На первом этапе исследований были определены параметры потока материала, формируемого блоком дозирующих устройств и поступающего в

смеситель. Соотношение компонентов в этом потоке в разные моменты времени можно считать случайным стационарным процессом. Для удобства при исследовании процесса смешивания принято считать получаемую смесь бинарной. Один из ее компонентов считается ключевым. Как правило, им является ингредиент с наименьшей концентрацией или наиболее важный компонент смеси, а также какой-либо индикатор, вносимый в смесь для определения ее однородности. Остальные ингредиенты в сумме составляют так называемый основной компонент. Таким образом, зависимость концентрации ключевого компонента смеси от времени является случайным процессом. При различии концентрации исходных компонентов смеси в десятки и сотни раз трудно обеспечивать их достаточно равномерную непрерывную подачу в смеситель. В таких случаях компоненты, входящие в смесь в малом количестве, дозируются порциями через некоторые промежутки времени. Таким образом, качество смеси во многом определяется работой порционного дозатора. Нами были проведены исследования по определению автокорреляционных функций потока, формируемого блоком дозирующих устройств, в составе которого имеется порционный дозатор. Автокорреляционная функция определялась по значениям безразмерной концентрации ключевого компонента в потоке. Под безразмерной концентрацией понимается величина, определяемая по формуле

_ _С| XI-—» с

(16)

где С| - концентрация ключевого компонента в потоке в ьй момент времени; с. - средняя концентрация ключевого компонента в потоке. Результаты проведенных исследований представлены в виде графиков на рис. 3.

Кх,(т)1

2/

1.5 1

0.5 О

•0.5 -1 -1,5 -2

0 1 4«. 4 0 * 0 5 . .„«Ж»** 9-Р"т/Т-

■ 10 порцУмин.

■ 20 порц./мин. • 30 порцУмин.

■ 60 порцУмин.

Рис. 3. Автокорреляционные функции безразмерной концентрации ферромагнитного порошка в потоке материала, поступающего в смеситель

При исследовании центробежного СНД, изображенного на рис. 2, в первую очередь были определены его рациональные конструктивные и режимные параметры работы, а также динамические характеристики. Анализ результатов исследований показал, что частота вращения конусов ротора должна составлять п.= 6...8 с'1; относительная ширина перепускных окон внутреннего конуса ротора для «нижнего ряда окон» Ь,,™ = 0,8, для в е р х н йы? = 1, что

соответствует коэффициентам перераспределения у! « 35%, Уг » 45%; относительная ширина перепускных окон внешнего конуса ротора может варьироваться в диапазоне Ь,,™ = 1... 1,4, т.е. Р ю 25...50%; среднее время пребывания материала в смесителе составляет Ц и 5...б с и зависит, главным образом, от коэффициента рециркуляции материала.

При выявленных рациональных параметрах эксплуатации смесителя были проведены исследования по определению автокорреляционных функций безразмерной концентрации ключевого компонента в потоке, выходящем из аппарата (рис. 4).

При коэффициенте рециркуляции (1» 25%

Кхв(х)

0.15 0.1 0,05 0

-0,05 -0,1

■ •

6 0 8 т/гп

При коэффициенте рециркуляции Р ж 40%

КЫт)

0,06

0,04 0,02 0

-0,02 -0,04

1

уа\

^ъР о 6 0 8

-о-10 порцАшн. -о-20 порц./мин. -о-ЗО порц./мин. —*-60 порц./мин.

-О-10 порцУмин. -О20 порц./мин. -О-ЗО порцУмин. -х-60 порцУмин.

Рис. 4. Автокорреляционные функций безразмерной концентрации ключевого компонента на выходе из смесителя.

При сравнении автокорреляционных функций потока материала на входе и выходе из аппарата видно, что после прохождения потока через смеситель его дисперсия снижается в десятки раз. Кроме того, было установлено, что действительное снижение дисперсии по сравнению с расчетным значением (по выражению 15) примерно в 2,2 раза меньше частоты подачи порций ключевого компонента смеси. Этот факт позволяет прогнозировать качество смеси при

заданных параметрах работы дозировочного оборудования и известных коэффициентах перераспределения и рециркуляции материала, т.е. свидетельствует об адекватность полученных математических моделей.

По имеющимся экспериментальным данным также была выявлена закономерность между частотой подачи порций ключевого компонента и коэффициентом неоднородности смеси. На рис. 5 эта закономерность представлена в виде графиков, которые носят гиперболический характер

Рис. 5 .'.Зависимость коэффициента неоднородности смеси от частоты подачи порций ключевого компонента

В ходе проведения экспериментальных исследования было отмечено, что при прохождении через смеситель материала, содержащего конгломераты, их количество и размер существенно уменьшаются, т.е. смеситель обладает диспергирующей способностью. Это обусловлено наличием на поверхности конусов ротора перепускных окон, которые при работе аппарата разрушают конгломераты своими кромками. Было установлено, что диспергирующая способностью смесителя зависит, главным образом, от частоты вращения конусов ротора ив процессе смешивания массовая доля конгломератов может уменьшаться на 30...90%.

При изучении энергетических характеристик СНД было установлено, что его удельные энергозатраты (Эу, Дж/кг) определяются, главным образом, частотой вращения конусов ротора и практически не зависят от физико-механических характеристик исследованных материалов. Исследования показали, что затраты энергии на приготовление 1 кг смеси не превышают 50 Дж.

Сравнительный анализ опытных данных и результатов реализации полученных нами математических моделей показал, что они достаточно адекватно описывают реальные процессы (рассогласование не превышает ±12%.).

Па основании результатов проведенных исследований предложена методика инженерного расчета смесительного агрегата на базе разработанной конструкции центробежного СНД.

В четвертой главе также отражено практическое использование результатов работы. При непосредственном участии автора разработано аппаратурное оформление стадий приготовления жидкого полуфабриката в технологической схеме производства мороженого производительностью до

1000 кг/час. Проведены успешные опытно-промышленные испытания смесительного агрегата на ОАО «Кемеровский хладокомбинат». Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре «Процессы и аппараты пищевых производств» КемТИППа, в лекционных курсах, дипломном и курсовом проектировании.

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1.Ha основании теоретических и экспериментальных исследований установлено, что для получения качественных смесей дисперсных материалов, в том числе и с добавками жидкостей, при соотношении компонентов 1:100 целесообразно использовать смесители центробежного типа.

2. Проведен корреляционный анализ схем движения материальных потоков в центробежном СНД, на основании которого получена математическая модель процесса смешивания. Анализ показал, что на величину сглаживания погрешностей дозирования исходных компонентов, а следовательно и на качество смешивания, существенное влияние оказывает наличие в СНД различных контуров рециркуляции смеси, в том числе опережающих материальных потоков, а также процесс их усреднения.

3. Разработана новая конструкция центробежного СНД с организацией направленного движения материальных потоков, техническая новизна которого защищена патентом РФ.

4. Экспериментально изучен процесс смешивания дисперсных материалов в разработанном СНД. Определены рациональные конструктивные и режимные параметры работы смесителя, а именно: частоты вращения конусов ротора должны быть примерно одинаковы и составлять 6... 10 с"1; относительная ширина перепускных окон внутреннего конуса ротора для «нижнего ряда окон» Ьотн = 0,8, для верхнего Ь^ = 1; что соответствует коэффициентам перераспределения . Сравнительный анализ экспериментальных данных и результатов моделирования подтвердил адекватность разработанной математической модели реальному процессу смешивания. На основании полученных результатов предложена методика инженерного расчета смесительного агрегата на базе разработанной конструкции центробежного СНД.

5. Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы для усовершенствования технологии смешивания компонентов в производстве мороженого, разработано соответствующее аппаратурное оснащение.

ПЕРЕЧЕНЬ ПУБЛИКАЦИЙ

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Бакин И.А, Бородулин Д.М., Аверкин С.В., Волков АС. Определите рациональных конструктивных и режимных параметров работы смесителя непрерывного действия центробежного типа. // В сб. тез. докл. междунар. симпозиума «Федеральные и региональные аспекты государственной политики в области здорового питания». - Кемерово: КемТИПП, 2002. - С.242-244.

2. Бакин И.А., Саблинский А.А., Аверкин С.В. Газодинамика центробежных смесителей непрерывного действия. // Материалы работ Всеросс. научно-практ. конф. «Достояние науки и практики в деятельности образовательных учреждений». - Кемерово: КемТИПП, 2003. - С. 43-44.

3. Бакин И.А., Волков А.С., Аверкин С.В. Влияние физико-механических свойств пищевых продуктов на качество смешивания. // В сб. тез. докл. «Развитие пищевой промышленности Сибири в XX - XXI веках». - Кемерово: КемТИПП, 2003. -С. 48.

4. Бакин И.А, Маньянов В.И., Аверкин С.В. Повышение эффективности процесса смешивания дисперсных продуктов питания // Сб. матер. 5-ой межд. научно-техн. конф. «Пища, Экология, Человек». - Москва: МГУПБ, 2003. -С. 145-146.

5. Ратников С.А, Наумов Д.В., Аверкин С.В. Усовершенствование технологии производства мороженого. В сб. тез. Всероссийского конгресса по торговле и, общественному питанию. - Кемерово: изд-во «Притомское», 2003. -С. 47-49.

6. Ратников С.А, Аверкин С.В., Бородулин Д.М, Наумов Д.В. Математическое описание процесса смешивания дисперсных материалов в смесителях центробежного типа с использованием корреляционного анализа. / Кемеров. технол. ин-т пищ. пром-ти. - Кемерово, 2004. - 15 с; ил. - Рус. -Библиогр. 4 назв. - Деп. в ВИНИТИ 14.05.2004 № 817-В2004.

7. Иванец В.Н., Аверкин СВ., Виниченко М.М. Разработка циркуляционного смесителя-диспергатора для получения сухих комбинированных продуктов // В сб. науч. работ «Технология и техника пищевых производств». - Кемерово: КемТИПП, 2004 г. - С. 188-192.

8. Ратников С. А, Аверкин С.В., Наумов Д.Б. Интенсификация процессов смешивания в производстве мороженого. В сб. науч. работ «Технология и техника пищевых производств». - Кемерово: КемТИПП, 2004 г. - С. 185-188.

9. Патент № 2220765 Россия, МКИ В01 F7/26 В28 С5/16. -2002113777/12 / Центробежный смеситель. / Иванец В.Н., Бакин ИА, Бородулин Д.М., Випиченко М.М., Аверкин СВ. // Заявлено 27.05.2002, опубл. бюл.№1 10.01.2004 (Россия).

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

СНД - смеситель непрерывного действия; СА - смесительный агрегат; -период дозирования порций ключевого компонента см» с; т - интервал корреляции, с.

Подписано к печати JJ-QS-W.,. Формат 60x84/16. Объем 1 уч.-изд. л.

Тираж 100 экз. Заказ№ Отпечатано на ризографе.

Кемеровский технологический институт пищевой промышленности 650056, г. Кемерово, б-р. Строителей, 47

Отпечатано в лаборатории множительной техники КемТИППа 650010, г. Кемерово, 10, ул. Красноармейская, 52

Работа выполнена в Кемеровском технологическом институте пищевой промышленности и на ОАО «Кемеровский хладокомбинат»

Научный руководитель

Официальные оппоненты -

заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Иванец В.Н.

доктор технических наук, профессор Хорунжина СИ. кандидат технических наук Зверев В.П.

Ведущая организация - ОАО «Кемеровский молочный комбинат»

Защита состоится 2004 г. в час. на заседании

диссертационного совета К 212.089.01 при Кемеровском технологическом институте пищевой промышленности по адресу: 650056 , г. Кемерово, бульвар Строителей, 47.

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

Автореферат разослан " ^ " 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

Бакин И. А.

р 1 7 2 7

Введение и постановка задач исследования

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА СМЕШИВАНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ, ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ. АППАРАТУРНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЦЕССА. (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)

1.1. Основные теоретические аспекты процесса смешивания сыпучих материалов.

1.2. Моделирование процесса непрерывного смешивания сыпучих материалов. Достижения и проблемы.

1.3. Влияние на процесс непрерывного смешивания флуктуаций питающих потоков.

1.4. Смесительное оборудования для переработки сыпучих материалов, состояние и перспективы развития.

Выводы по главе.

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В

НЕПРЕРЫВНО-ДЕЙСТВУЮЩЕМ СМЕСИТЕЛЬНОМ АГРЕГАТЕ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ТИПА

2.1. Системный поход при моделировании и исследовании реальных объектов, принципы и преимущества.

2.2. Анализ схем движения материальных потоков в СНД.

2.3. Влияние процесса усреднения материальных потоков на снижение их неоднородности.

2.4. Обобщенная модель процесса смешивания.

Выводы по главе.

ГЛАВА 3. АППАРАТУРНОЕ И МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1. Описание лабораторно-исследовательского стенда.

3.2. Дозировочное оборудование стенда.

3.3. Центробежный СНД с опережающими материальными потоками и рециркуляцией смеси.

3.4. Прибор и методика для определения концентрации ферромагнитного трассера в смеси.

3.5. Сыпучие материалы, использованные в экспериментальных исследованиях.

3.6. Методика определения корреляционной функции случайного процесса.

Выводы по главе.

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ д РАБОТЫ СМЕСИТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА.

4.1. Исследование работы дозировочного оборудования.

4.1.1. Влияние режимов работы шнекового дозатора на погрешность дозирования.

4.1.2. Параметры сигнала, формируемого блоком дозирующих устройств

4.2. Исследование работы центробежного СНД.

4.2.1. Исследование характера движения материальных потоков в смесителе.

4.2.2. Определение среднего времени пребывания

Q материала в смесителе

4.2.3. Исследование влияния параметров работы смесителя и характеристик входного потока на качество смешивания.

4.2.4. Исследование диспергирующей способности смесителя

4.2.5. Определение удельных затрат энергии.

4.3. Применение смесителя для получения композиций с добавками жидкости.

4.4. Практическая реализация работы.

4.4.1. Методика инженерного расчета смесительного агрегата

4.4.2. Разработка аппаратурного оформления процесса смешивания при производстве мороженого

Выводы по главе

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. Увеличение производства витаминов, биологически активных добавок (БАД) и создание обогащенной ими пищевой продукции является основными направлениями реализация концепции государственной политики в области здорового питания населения РФ. При этом главное внимание обращается на качество производства пищевых продуктов и их соответствие медико-биологическим требованиям.

В настоящее время в НИИ и ведущих ВУЗах пищевого профиля уже разработаны принципиально новые, энергетически выгодные технологии. Они, учитывая потребности и состояние здоровья населения, обеспечивают комплексную безотходную переработку как традиционного, так и нетрадиционного (в том числе вторичного) сырья, а также производство экологически безопасных продуктов питания, обогащенных витаминами и БАД.

Так, например, технологии производства новых видов хлебобулочных изделий повышенной биологической и пищевой ценности предложены НИИ хлебопекарной промышленности (руководитель проекта Поландрова Р.Д.) [87]. Здесь разработаны рецептуры композитных смесей с подсластителями, соевой мукой, сухим соевым молоком, пшеничными зародышевыми хлопьями, витаминно-минеральными добавками.

Весьма актуальна проблема производства сухих многокомпонентных смесей для молочной промышленности [76, 104]. В настоящее время наиболее распространен способ, при котором компоненты смешивают в жидком виде и далее высушивают на пленочных или распылительных сушилах. При таком способе неизбежно разрушение термолабильных добавок (витаминов и других компонентов) в процессе сушки. Значительно менее распространенным, но перспективным является способ сухого смешивания исходных компонентов в смесителях для сыпучих материалов. В этом случае основную сложность составляет получение продукта с заданными микробиологическими показателями.

Однако, достаточно простое оформление технологического процесса при данном способе является безусловным его преимуществом.

Учитывая низкую платежеспособность большой части населения, производство продуктов, обогащенных витаминами, минеральными и биологически активными добавками, позволяет решать задачу обеспечения доступного уровня соотношения цена / качество для многих категорий населения.

Неблагоприятная экологическая обстановка, сложившаяся в Кузбассе, осложняется несбалансированностью рациона и отсутствием в нем необходимого количества витаминов, микро- и макроэлементов. Это вызывает необходимость обогащения продуктов питания биологически ценными компонентами. В свою очередь, расширение ассортимента конкурентоспособных продуктов лечебно-профилактического назначения предполагает освоение новых технологий с использованием полифункциональных пищевых добавок.

Таким образом, при производстве сухих, увлажненных и жидких комбинированных продуктов питания, одной из основных проблем является равномерное распределение различных добавок (витаминов, БАД, наполнителей, стабилизаторов, ароматизаторов и др.), вносимых в небольших количествах (0,01-1)%, по всему объему смеси.

Аналогичную проблему приходится решать и в других отраслях промышленности. Например, при производстве комбикормов, заменителей цельного молока (ЗЦМ) сухим способом, премиксов, различных шихт для получения стекла и искусственных алмазов, новых композиционных материалов, электронных и электротехнических изделий и т.п.

Определенные трудности возникают и при равномерном распределении жидких добавок в основной массе дисперсных материалов (многокомпонентные увлажненные и консистентные смеси). Такие композиции в настоящее время традиционно готовят в червячно-лопастных смесителях периодического действия. При этом как качество композиции, так и интенсивность процесса не удовлетворяют современным требованиям.

Перспективными направлениями в технологиях переработки сухих и увлажненных материалов являются: переход на аппаратурное оформление стадии смешивания по непрерывной схеме; разработка принципиально новых конструкций смесителей с организацией направленного движения материальных потоков и осуществляющих процесс смешивания в тонких или разреженных слоях, что обеспечивает более интенсивное перераспределения частиц компонентов между собой.

Новые конструкции смесителей непрерывного действия должны обладать хорошей сглаживающей способностью, достаточной для устранения колебаний в соотношении компонентов смеси во входном потоке, вызванных погрешностями в работе дозирующих устройств.

Разработке теории и инженерных методов расчета непрерывно-действующих смесительных агрегатов, включающих в свой состав дозирующие устройства различного типа, посвящено сравнительно небольшое количество работ. В частности, недостаточно изучены вопросы совместного влияния входных сигналов, формируемых дозирующими устройствами, и динамических характеристик смесителей на качество получаемой композиции; возможность управления сглаживающей способностью смесителя за счет организации направленного движения материальных потоков в нем; процесс получения в смесителях непрерывного действия увлажненных смесей и т. д. Все эти вопросы требуют проведения дальнейших исследований.

Таким образом, имеющийся уровень информации о рациональных способах получения сухих и увлажненных многокомпонентных смесей часто является низким. Это сдерживает развитие и совершенствование технологий производства конкретных продуктов и полуфабрикатов, отвечающих современным требованиям потребительского рынка.

Поэтому, разработка эффективных непрерывнодействующих смесительных агрегатов для переработки мелкозернистых и дисперсных материалов, создание теории и методики их расчета является актуальной научной задачей, представляющей большой практический интерес для пищевой и ряда других отраслей народного хозяйства.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом НИР по гранту Министерства образования РФ Т-02-067-1238 «Научно-практические основы разработки непрерывно-действующих смесителей центробежного типа с регулируемой инерционностью для получения сухих и увлажненных композиционных материалов», а также в рамках хозяйственно-договорной темы №2002/08 от 01.04.2002г. «Разработка аппаратурного оформления процессов транспортировки сырья, диспергирования и гомогенизации компонентов и полуфабрикатов в производстве мороженого», заключенной между Кемеровским технологическим институтом пищевой промышленности и ОАО «Кемеровских хладокомбинат».

Цель работы. Разработка конструкции высокоэффективного непрерывно-действующего смесителя центробежного типа (СНД), обладающего регулируемой инерционностью, для получения сыпучих многокомпонентных композиций на основании результатов теоретических и экспериментальных исследований процесса смешивания.

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

- моделирование процесса смешивания в непрерывнодействующем агрегате центробежного типа с организацией направленного движения материальных потоков с помощью корреляционного анализа и математических моделей усреднения;

- реализация математической модели СНД с помощью методов цифрового машинного моделирования и проверка ее на адекватность реальному процессу;

- разработка и экспериментальное исследование новой конструкции СНД центробежного типа с организацией направленного движения материальных потоков, обеспечивающей получение качественных смесей при соотношении смешиваемых компонентов 1:100, а также разработка методики инженерного расчета смесительного агрегата. Научная новизна. На основе корреляционного анализа созданы математические модели непрерывно-действующего смесительного агрегата (СА) центробежного типа с различными контурами рециклов материальных потоков, позволяющие проанализировать возможность получения смесей заданного качества с учётом его инерционных свойств; предложен алгоритм расчета рациональных конструктивных и динамических параметров СНД центробежного типа с учетом входных воздействий, оказываемых со стороны дозирующих устройств.

Практическая значимость и реализация. Результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса смешивания дисперсных материалов позволили разработать новую конструкцию СНД центробежного типа с организацией направленного движения материальных потоков, техническая новизна которого защищена патентом РФ [19]. При непосредственном участии автора разработано аппаратурное оформление стадий приготовления жидкого полуфабриката в технологической схеме производства мороженого производительностью до 1000 кг/час. Проведены успешные опытно-промышленные испытания смесительного агрегата на ОАО «Кемеровский хладокомбинат». Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре «Процессы и аппараты пищевых производств» КемТИППа, в лекционных курсах, дипломном и курсовом проектировании.

На защиту выносятся: математическое описание процесса непрерывного смешивания при различных схемах движения материальных потоков внутри СНД центробежного типа с использованием элементов корреляционного анализа и моделей усреднения; новая конструкция центробежного СНД и результаты экспериментальных исследований процесса смешивания дисперсных материалов в нем; методика проектирования и расчета смесительного агрегата центробежного типа.