автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Разработка новой конструкции непрерывнодействующего смесительного агрегата вибрационного типа для получения комбинированных продуктов

РЫНЗА ОЛЕГ ПЕТРОВИЧ

РАЗРАБОТКА НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ НЕПРЕРЫВНОДЕЙСТВУЮЩЕГО СМЕСИТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА ВИБРАЦИОННОГО ТИПА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОМБИНИРОВАННЫХ ПРОДУКТОВ

Специальность: 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

10 ОКТ 2013

Кемерово - 2013

005534506

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

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

Научный руководитель Щушпанников Андрей Борисович,

кандидат технических наук, доцент

Петрик Павел Трофимович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет», заведующий кафедрой «Энергоресурсосберсгающие процессы в химической и нефтегазовой технологиях»

Руднев Сергей Дмитриевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО КемТИПП, заведующий кафедрой «Машины и аппараты пищевых производств»

Государственное научное учреждение Сибирский научно-исследовательский институт переработки сельскохозяйственной продукции Россельхозакадемии, Новосибирская область, п. Краснообск

Защита состоится «25» октября 2013 года в 13:00 ч на заседании диссертационного совета Д 212.089.02 при ФГБОУ ВГ10 «КемТИПП» по адресу: 650056, г. Кемерово, бульвар Строителей, 47.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «КемТИПП», с авторефератом - на официальном сайте ВАК Минобрнауки РФ (http://vak.ed.gov.ru/ru/dissertation) и сайте «КемТИПП» (http://www.kemtipp.ru).

Автореферат разослан «_» сентября 2013 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 650056, г. Кемерово, бульвар Строителей, 47, ФГБОУ ВПО «КемТИПП». Тел/факс 8(384-2) 73-23-27.

Ученый секретарь .

диссертационного совета \ Гореликова Галина Анатольевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из важных факторов, определяющих здоровье человека, является питание со сбалансированным рационом, которое обеспечивает нормальное развитие организма и способствует профилактике заболеваний. Для удовлетворения потребности населения в здоровой пище предприятия пищевой промышленности начинают специализироваться на выпуске полуфабрикатов в виде сухих сыпучих композиций, обогащенных витаминами и биологически активными веществами. С увеличением объема их производства порошкообразные материалы целесообразно смешивать в агрегатах непрерывного действия, созданных на базе вибрационных смесителей. Мы обоснованно считаем, что наилучшим образом для этого подходят винтовые вертикальные вибрационные смесители непрерывного действия (СНД), которые обеспечивают возможность переработки дисперсных сред с широким спектром физико-механических свойств. В смесителях реализован перспективный способ переработки сыпучих материалов в тонких слоях (20-50 мм) за счет развитого рабочего органа интенсивно виброактивирующего дисперсную систему, что при небольших габаритах аппарата и потребляемой мощности позволяет существенно сократить время смешивания. Фактически оно определяется отношением протяженности лотка к скорости транспортирования материала и в большинстве случаев не превышает двух минут. А за счет хорошей их сглаживающей способности они могут хорошо работать совместно с дозаторами объемного типа. Поэтому разработка новых конструкций агрегатов, включающих винтовые вертикальные вибрационные смесители непрерывного действия для переработки сыпучих материалов, а также создание теоретических положений и методики их расчета, является актуальной научной задачей, представляющей большое народно-хозяйственное значение для пищевой и других отраслей промышленности.

Научной базой исследований в данной области явились работы Ю.И. Макарова, Ф.Г. Ахмадиева, В.Н. Иванца, Г.Е. Иванец, Б.А. Федосенкова, И.А. Бакина и ряда других ученых.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с научными направлениями ФГБОУ ВПО Кемеровский технологический институт пищевой промышленности и грантом Минобрнауки.

Цель работы. Разработка новой конструкции смесеприготовительного агрегата непрерывного действия вибрационного типа для получения комбинированных продуктов на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Задачи исследований: >- Создать новые конструкции винтовых смесителей непрерывного действия вибрационного типа с направленной организацией движения материальных потоков и дозатора объемного типа для их работы в составе смесеприготовительного агрегата;

> Провести исследование влияния различных факторов на процесс смесе-приготовления сыпучих материалов в новой конструкции вибрационного смесителя непрерывного действия;

> Создать математическое описание процесса смешивания сыпучих материалов в винтовых вибрационных смесителях с помощью корреляционного анализа и моделей усреднения, позволяющее оцешпъ способность смесителем сглаживать флуктуации расходов ингредиентов;

> Разработать математическое описание процесса смешивания сыпучих материалов в агрегатах непрерывного действия вибрационного типа с использованием элементов теории автоматического управления

> Сформировать алгоритм расчета рациональных конструктивных параметров разрабатываемого смесителя и агрегата в целом;

> Разработать аппаратурное оформление стадии смешивания сухой композиции в производстве сахарного печенья с использованием новой конструкции СНД вибрационного типа.

Научная новизна. Создана математическая модель непрерывно действующего смесеприготовительного агрегата вибрационного типа, позволяющая в диалоговом режиме анализировать возможность получения сыпучих композиций заданного качества с учетом сглаживающих свойств смесителя.

Проведен корреляционный анализ влияния различных контуров рецикла на однородность смеси в СНД. Установлены рациональные диапазоны значений коэффициентов рециркуляции и числа витков аппарата. Исследовано влияние режимных и геометрических параметров работы смесителя с направленной организацией движения материалопотоков на качество смешивания мучных композиций. Предложен алгоритм расчета смесителя вибрационного типа, с учетом структуры движения материалопотоков в нем, и агрегата в целом.

Практическая значимость.На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований процесса вибрационного смешивания сыпучих материалов разработаны новая конструкция винтового СНД вибрационного типа и сетчатого дозатора.

При непосредственном участии автора разработано аппаратурное оформление стадии непрерывного смешивания для производства сахарного печенья в холдинге «Алтайские закрома», г. Барнаул. Проведены успешные опытно-промышленные испытания новой конструкции СНД вибрационного типа.

Материалы диссертационной работы применяются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров на кафедре «Процессы и аппараты пищевых производств» ФГБОУ ВПО КемТИПП при дипломном и курсовом проектировании.

Автор защищает:

> Математическое описание процесса смешивания с использованием корреляционного анализа, моделей усреднения и кибернетического подхода в непрерывно-действующих смесительных агрегатах вибрационного типа для получения сухих сыпучих смесей;

> Результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса смешивания мучных композиций в винтовом смесителе с учетом влияния режимных и конструктивных параметров;

> Новые конструкции винтового вертикального вибрационного смесителя непрерывного действия и сетчатого дозатора.

Апробация работы. Основные положения, изложенные в диссертационной работе, были представлены и обсуждены на ежегодных конференциях Кемеровского технологического института пищевой промышленности (2008 -2012). На II и Ш Всероссийских конференций студентов и аспирантов: «Пищевые продукты и здоровье человека».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК. Получен патент на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация включает в свой состав введения, четыре главы, основные результаты и выводы, список литературы и приложения; включает 53 рисунка и 35 таблиц. Основной текст изложен на 114 странницах машинописного текста, приложения - на 15 страницах. Список литературы включает 120 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе сделан анализ научно-технической и патентной литературы по вопросам, связанным с повышением эффективности процесса смесеобразования в аппаратах непрерывного действия. Приведено обоснование выбора в качестве объекта исследования вертикального вибрационного смесителя непрерывного действия с рециркуляцией. Обоснованы математические подходы, используемые в диссертационной работе для описания процесса непрерывного смесеприготовления сыпучих материалов.

Во второй главе проведен теоретический анализ влияния топологии материальных потоков в новой конструкции вертикального вибрационного смесителя непрерывного действия на однородность смеси, выполненного на основе известного подхода с использованием корреляционных функций.

Предлагаемая нами топологическая схема (рисунок 1) уникальна тем, что она позволяет реализовать метод «последовательного разбавления», и тем самым расширить соотношение перерабатываемых компонентой. В ней поток основного компонента предварительно разбит на две части. Одна из них поступает на первый виток (рисунок 3) первого захода двухзаходной лопасти (ячейка 1.1), где ока смешивается с ключевым компонентом, а вторая — на первый виток второго захода (ячейка 1.2). Дисперсная фаза, двигаясь под действием направленной вибрации вниз по лопасти и просыпаясь через перфорацию с Витка на виток, перемешивается. Массовые расходы этих потоков обозначены как Х;(1~ и >",Х[. Затем, с двухзаходного винтового рабочего органа поток сыпучего материала попадает на внешний винтовой перфорированный лоток. Одна часть

потока сыпучего материала о^Х; просеивается через перфорацию, а другая Х;(1-а;) движется по витку, образуя контур «внутренней» рециркуляции. Кроме того, у выходного патрубка на верхнем витке расположен отсекатель, с помощью которого часть потока возвращается на верхний виток внутреннего рабочего органа, создавая контур «внешнего» рецикла рХ|.

В качестве примера разберем схему движения материальных потоков в новом оригинальном СНД вибрационного типа (рисунок 1), состоящего из шести наружных лотков, и внутренней лопасти, состоящей из четырех двухзаходных

БИТКОВ.

Рисунок 1 - Схема движения материальных потоков в СНД Введем обозначения: Хс(:) - расход дисперсной фазы, поступающей в смеситель; Хв(г) - расход дисперсной фазы, вышедшей из смесителя; Х,^) - расход дисперсной фазы, сошедшей с 1-го витка внутреннего рабочего органа, ¡=1, 2, ..., п; Хк;(Ч) - расход дисперсной фазы, сошедшей с ьго лотка внешнего рабочего органа 1=1, 2, ..., п; ХовО) - расход дисперсной фазы, поступающей с нижнего неперфорированного витка внутреннего рабочего органа на нижний внешний неперфорированный лоток; а - рециркулирующая часть потока материала, выходящего с ¡-го лотка внешнего рабочего органа («внутренний» рецикл), 0<«к.<1, ¡=1...п; у - рециркулирующая часть потока материала, выходящего с 1-го витка внутреннего ра-

бочего органа; р - рециркулирующая часть потока материала, выходяшего с 11-го витка («внешний» рецикл), 0<Р<1.

Процесс движения материальных потоков представлен следующей известной системой уразнений.

{ хх ]в(г)=Х0(0+/?-х„(0

<

^(0 = ^(0+^3 2(0

(1)

Хв(1) = (\-Р)-Хп(1)

Считаем, что взаимная корреляция потоков равна пулю, т.е. отсутствует Кх^ = 0 при г'*?'. Рассмотрим влияние процесса разделения потеков материалов на однородность смеси во времени (будем пологать, что процесс усреднения равен нушо). Примем для рассмотрения ¿=1,2,...,10.

Щ.Ф) = пКф) + а2-йг^Дт) ¡Сг12вь) = а - »9 • +12и ■ ¡ьив(г)

К*2.2= О'Ь^2 ■ ^¡.2^1 + У2.1 ■ <&2.1.М

Хх31вМ = (I-у2 ,)2 ■ ¡Ь2.1,Ы + У22.2 ■ Хх3 2аЬ) -0-у2.2)2+-4.1 ■ ^ЗЛвЬ)

КхойЫ = Кх41е(г) + Кх42в(-) Кх5н( т) = йсоа(т) + а^

= и-а5)2-Кх5нЬ) + а2-КхбиЬ) К*7кЫ = ^бпМ а7 " Кс7п<т>

Кх8„Ь) = а - а/,2 ■ Кх7п(г) + о| ■ К*8к(-)

К*10нЮ = и-а9'>2 ■Я'яЫ

= Кхф)

Решая систему уравпений (2) относительно Кхв(т) получим:

(2)

lli-^Xi-^j-F^j-ti-^Xi-«,1)--

Преобразуем выражение (3), с учетом, что Кх0(0) = а2, и Кха(0) = а2н, получим:

-(l-aj2 .(l-aj.(l-a7)2-(l-aj -(l-«9)2 -ß2 )

Значение степени сглаживания, оцениваемой по отношению дисперсий входящего и выходящего потоков, в смесителе зависит от величины коэффициентов рециркуляции а и ß.

У - - "-(»-О2 ■ ((i - «52 )• i1 -а1 )■ (l - «7 )■ 0 - «» ) (l - «9 )-

(yL +(1 -У1лу-(К2 +(1 -г,J ■(/£, +(1-«21)2 -(^(1-7,2)2 • -(Ой +(1-г,,)г -(г,2. + (i-r„)2 +(1-у2,)2 -(rL +('-r2.J -(Гз2, +0-Г,,)2 -

■Oi. -(1-Г:«,)2 -fa+Q-rJ Мл Hl-rJ-(rL +(l-r<J 4-a5f • • (rL + (1 2 У ■ (rl + а - Г, J • (rL + (1 - Г« )2-(l- а, )2 • (1 - f ■ (l •- a7 )2 • (l ■- «, )2 ■ ^

•0-Д)2)

Для последующего расчета примем что а,=а, / = 5, 6, ..., 10 и угу, ¡=11 12 ...,4.2

Расчет значений степени сглаживания на всем значимом интервале изменения коэффициентов рециркуляции был проведен с помощью программы Microsoft Excel 2003. Сравнение результатов расчета схемы (рисунок 1), с результатами, полученными для конструкций без «последовательного разбавления», показывает, что она обладает большей сглаживающей способностью. Т.е. винтовая лопасть 9 (рисунок 3) позволяет работать смесителю при той же неравномерности дозирования с большими соотношениями ингредиентов. Например, при коэффициенте опережения у, изменяющимся в диапазоне от 0 до максимального значения 0,5, степень сглаживания увеличивается в 35 раз.

На втором этапе моделирования следует найти согласованные режимы работы дозирующего и смесительного оборудования. Для этого разработана математическая модель агрегата с использованием кибернетического подхода с элементами теории автоматического управления.

Примем что основной компонент подается в смеситель дозатором Д'1, а ключевой дозатором Д2, формирующими сигналами в виде гармонических ко-

лебаний. Возьмем уже известные сигналы дозаторов, после преобразования входных сигналов по Лапласу получим выражения в форме:

5 л S2+a>У

L[x2(t)] = ff2(5) = ^- + .x2

5 л S2+a>V

Предположим, что СНД можно аппроксимировать апериодическим звеном 2-го порядка, передаточная функция (ПФ) которого имеет вид:

W; (S)=~ 2 К2 е*--(6)

"w T2S2+T1S + \

где Т1,Т2 — постоянные времени ВСНД; К - коэффициент передачи (К=1); т - время чистого запаздывания; S - переменная Лапласа. ПФ смесительного агрегата будет выглядеть следующим образом:

WcJíb »Гсм(S)-Y($) = (--- + XÍA ■ 1+Xlt -(7)

caV j C«v ) ¿^ A>\ ) s S2+eo2 S + со2 r,2S2+r2S+l

Модель может быть реализована в программно-прикладном пакете «Matead».

м а а *

Рисунок 2 - Схема сетчатого дозатора 1- загрузочный бункер; 2- ременная передача; 3- опора; 4- сетка; 5- прижимное кольно;6- неподвижная дотирующая Головка- 7- вращающаяся ло-ііасть; 8- подшипниковая опора; 5- угі-лотнителъ фторопластовый; 10- Пластина; 11- втулка; 12- фиксирующая гайка; 13-мешалка; 14-опора.

Рисунок 3 - Схема вибрационного смесителя

1- загрузочный бункер; 2- впускное отверстий; 3- выпускное Отверстия; 4-спиралЬпый желоб; 5- выгрузочный патрубок; 6- отсскатель; 7- днище; 8- внут-реїшяя вставка; 9- двухзаходная ло-

В третьей главе представлено описание лабораторно-исследовательского стенда для смешивания сыпучих материалов и оборудования, входящего в его

9

состав. Рассмотрены вопросы методического обеспечения экспериментальных исследований.

Разработаны новые конструкции сетчатого дозатора объемного типа и вибрационного смесителя с винтовым рабочим органом, в котором реализован метод «последовательного разбавления» (рисунки 2 и 3).

При проведении исследований процесса смешивания и дозирования использовались порошкообразные и мелкозернистые материалы с различными физико-механическими характеристиками. Для интенсификации процесса проведения экспериментальных исследований з качестве ключевого компонента использовался феромагнитный трассер. Регистрация концентрации трассера осуществлялась при помощи прибора, работа которого основана па измерении частоты колебаний индуктивно-емкостного контура.

Технической новизной смесителя является наличие в загрузочном бункере 1 двузаходной перфорированной спиральной лопасти 9, наклоненной в сторону движения материала и закрепленной на цилиндрической вставке 8.

В четвертой главе приводятся результаты исследований сетчатого дозатора, ВВВС по определению скорости вибротранспортирования и пропускной способности отверстий для углов вибрации равных 40° и 45°, а также по влиянию его режимных параметров на качество получаемой смеси.

С помощью математической модели СА установлен диапазон изменения частот входных потоков, позволяющий достичь высоких степеней сглаживания их флуктуаций СНД вибрационного типа. Представлена методика инженерного расчета смесителя и смесительного агрегата в целом.

Главной особенностью сетчатого дозатора является конструкция его рабочего органа. Ое состоит из сетки, через которую проходит дозируемый материал, и неподвижной мешалки с регулированными выдвижными лопастями, позволяющие менять зазор между ними и стенкой бункера. Значения погрешности заполнения каждой ячейки сетки, из-за большого их количества, усредняются, и таким образом пульсации потока материала сглаживаются. Расширяющийся книзу бункер препятствует слеживанию дисперсных порошков и образованию свода. А также, при воздействии рабочего органа на материал не происходит его уплотнения, и массовый расход остается равномерным. Данная конструкция дозатора позволяет регулировать его производительность, не останавливая процесс.

Ниже приведены результаты его исследований (рисунки 4 и 5).

Из результатов исследований следует, что на величину погрешности дозирования в большей степени влияет скорость вращения рабочего органа. Производительность дозатора изменяется в пределах: 0-1,27 кг/мин для муки пшеничной и от 0 до 1,406 кг/мин для молока сухого, он обладает относительно небольшой погрешностью (максимальная для муки пшеничной составила 9,22 %, а для молока сухого - 5,26%) .

10

3 в

7 6 5

4 3 2 1 С

'"V \

Л N

\ \

_ N Ч ^

\

.—

-30 об/мин -77 обмин -120 обїмин -160 оШмин

10

15

20

25 Ъ ее*

Рисунок 4 - Зависимости погрешности дозирования сетчатого дозатора от времени отбора проб (для муки пшеничной) при разной частоте вращения рабочего органа

1,4 12 1

оз ор 0,4 02 о

-мука

- иопоко сухое

0 40 80 120 103 п.обЛшн

Рисунок 5 - Зависимости производительности сетчатого дозатора от частоты вращения рабочего органа для муки и сухого молока

По известным методикам были определены скорости вибротранспортирования и пропускной способности отверстий для углов вибрации равных 40° и 45°. Анализ результатов экспериментов показал, что скорость вибротранспортирования и растет с увеличением частоты колебаний рабочего органа Г Что касается пропускной способности отверстий то с увеличением амплитуды вибрации и насыпной массы материала, она уменьшается. Это особенно заметно для отверстий большего диаметра ((1=0,010м).

Нами были проведены эксперименты для проверки предложенного технического решения смесителя по определению качества смеси в зависимости от конфигурации внутренней вставки, которая имела однозаходный и двузаходный винтовой рабочий орган.

В ходе экспериментов применялись следующие основные компоненты: пшеничная мука, сахар-песок, сухое молоко и соль; в качестве ключевого — феромагнитный порошок. Основной компонент подавался в СНД спиральным дозатором, с производительностью 0,7 м3/час, а ключевой порционным. Кон-

центрация в выходящем потоке, ключевого компонента, определялась с помощью электронного частотомера. Частота вибрации СНД вибрационного типа была принята равной 19 Гц. Соотношение смешиваемых компонентов варьировалось от 1:25 до 1:100. Качество смеси оценивалось с помощью коэффициента неоднородности Ус:

V =£х100%

С , (8) Э - выборочное среднее квадратическое отклонение содержания ключевого компонента в пробах, взятых из смеси;

с - выборочное среднее значение концентрации ключевого компонента в пробах. Значение коэффициентов неоднородности, в зависимости от конструкции внутреннего рабочего органа и соотношения смешиваемых компонентов приведены в таблице 1.

Таблица 1. Значения коэффициента неоднородности от конструкции рабочего органа и соотношения компонентов____

Vc, %

Основной компонент Соотношение смешиваемых компонентов в смеси Внутренний винтовой однозаходный Внутренний винтовой двузаход- ный рабочий орган

рабочий орган

1:100 15,36 15,24

Соль 1:75 13,17 13,07

1:50 9,76 9,43

1:25 8,99 8,87

1:100 15,79 15,35

Сахар-песок 1:75 14,16 14,03

1:50 9,54 9,38

1:25 7,32 7,24

1:100 15,23 14,74

Сухое молоко 1:75 12,54 12,32

1:50 9,71 9,54

1:25 6,87 6,65

1:100 14,24 13,73

Пшеничная мука 1:75 11,43 11,25

1:50 8,89 8,62

1:25 6, 52 6,31

Анализ таблицы 1 показывает, что наличие внутреннего винтового даузаходного рабочего органа, приводит к снижению коэффициента неоднородности (т.е. улучшению качества конечной смеси).

Проведен анализ дайамйческих характеристик СА вибрационную типа. Определены передаточные функции ВСНД с прямым и обратным рециклами. На рисунке 7 показан отклики системы на входной сигнал блока дозаторов, подаваемый в СНД.

е-14.50

ПФ смесителя: ^г+

Анализируя результаты можно сказать, что предлагаемая нами конструкция СНД хорошо сглаживает пульсации питающих потоков.

Сравнительные результаты исследования сглаживающей способности вибрационного смесителя с установленной двузаходной наклонной лопастью в виде годографа представлены на рисунок 8. Анализируя его можно проследить, изменение степени сглаживания смесителя на разных частотах и определить значения частот работы дозаторов для обеспечения требуемых величин сглаживания.

1ШЗ 1Ш 14.Й7 ¡4.904.

Вы дай ней сигнал 14 $<¡1 "— 14.7??

14.144 i4.fi«

Вжянок сигнал

14.585 14.52(

Рисунок 6 - Отклики системы на входной сигнал блока дозаторов, подаваемый в СНД с прямым рециклом.

По полученным ПФ построены амплитудно-частотные характеристики ВВСНД (рисунок 7).

ад 0,8

0,6

0,4

0,2 О

Рисунок 7 - Амплитудно-частотная характеристика СНД

од

о -ад

-0,8

Рисунок 8 - Годограф смесителя вибрационного типа с двузаходной наклонной лопастью

Для определения влияние режимных параметров вибрационного смесительного агрегата на качество получаемой смеси нами проведена серия экспериментов. Получено уравнение регрессии, описывающее вид и степень влияния параметров вибрации на коэффициент неоднородности.

V, =42,811-12885,6-А-1,524-/+2,188-Ю-6 А2+18,758-/-А-0,028-/2 (10)

По результатам проведённого эксперимента получена поверхность отклика, которая показана на рисунке (10), позволяющая определить, например, при каких параметрах вибрационного процесса /=22+30 Гц и А=0,0025-0,0030 м, можно лолучить смеси с коэффициентом неоднородности Ус < 5,1 %. Качество подобранной регрессии оценивалось по коэффициенту множественной корреляции (Я) и коэффициенту детерминации (Я2).

Ус^42.811-12885¡6* А 1!524«Ф-2!1.88;6*А*А+18і758*А*в-0,02?*і*-£

Рисунок 9 - Зависимость качества смеси от параметров вибрации

Величина коэффициента Я для полученного уравнения равна 0,92 (АД , а Я -0,89463. Это значит, что построенная регрессия объясняет более 89% разброса значений относительно среднего. Значения критерия Фишера (Ррасчетпое и Бтабличное) для уровня значимости р = 0.05 будут равны: Ррасч.=2.1, Ртабл. = 2,5. Если Ррасч< Ртаб, то гипотеза об адекватности не отвергается.

Предложен алгоритм расчета рациональных конструктивных параметров разрабатываемого СНД вибрационного типа и агрегата в целом.

Проведены успешные опытно-промышленные испытания новой конструкции СНД вибрационного типа и разработано аппаратурное оформление стадии непрерывного смешивания в производстве сахарного печенья в холдинге «Алтайские закрома», г. Барнаул

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1) Для непрерывного приготовления композиций из сыпучих материалов целесообразно использовать подъемные вертикальные винтовые вибрационные смесители, в которых процесс проходит в тонких виброкипящих слоях (10-50 мм), а также организовано направленное движение материальных потоков. Поэтому они характеризуются небольшими энергозатратами и хорошо сглаживают погрешности в работе дозирующих устройств. В связи с этим, разработаны новые конструкции винтового СНД и сетчатого дозатора объемного типа, предназначенные для работы в составе смесеприготовителыюго агрегата.

2) Выполнен теоретический анализ нескольких конструкций винтовых смесителей непрерывного действия (СНД) вибрационного типа с различной топологией материальных потоков, когда в качестве параметров случайного стационарного процесса были использованы корреляционные функции. Выявлено, что созданный нами смеситель, при равной сглаживающей способности, имеет меньшие габариты по сравнению с прототипом и позволяет увеличить соотношение смешиваемых компонентов. Для детального анализа процесса разработана математическая модель смесителя с учетом, протекающих в аппарате процессов усреднения, которая может быть реализована с помощью методов численного моделирования.

3) На основе кибернетического подхода разработана математическая модель смесительного агрегата, включающего в свой состав блок дозирующих устройств и винтовой СНД вибрационного типа, позволяющая прогнозировать качество готовой смеси и подбирать рациональные режимы работы смесителя и дозаторов. Проведен частотно-временной анализ модели, который показал, что разработанный нами СНД обеспечивает хорошее сглаживание флуктуаций входных потоков. С помощью него также определены значения коэффициентов сглаживания в вибрационном СНД с рециклами. Проведена оценка достоверности этих результатов путем сравнения их с экспериментальными данными, которое дает удовлетворительное совпадение значений.

4) Проведено исследование влияния режимных параметров сетчатого дозатора на его производительность и погрешность дозирования. Выявлено, что с увеличением частоты вращения сетчатой тарели, его производительность растёт, а погрешность дозирования падает. В целом, этим типом дозаторов можно комплектовать смесепрготовительные агрегаты.

5) Проведены исследования по определению скорости движения различных материалов по рабочему органу винтовых смесителей и их расходов через вибрирующие отверстия рабочего органа аппарата, оказывающих наибольшее влияние на их производительность и условия смешивания. Исследовано влияние амплитуды и частоты вибрации на однородность получаемых композиций. Установлено, что лучшее качество достигается в диапазонах 0,0025-0,0045м и f=18-20rq. Установлено что рассматриваемый вибрационный смеситель отличается сравнительно небольшими энергозатратами, составляющими в среднем 0,43 квт ч/м3.

6) Предложена инженерная методика расчета вибрационных СНД с различной топологией материальных потоков в них, учитывающая физико-механические характеристики смешиваемых материалов и частотный режим работы дозирующих устройств. Результаты исследований использованы при разработке аппаратурного оформления стадии смешивания в технологической схеме производства сахарного печенья в холдинге «Алтайские закрома» г. Барнаул.

ПЕРЕЧЕНЬ ПУБЛИКАЦИЙ

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК

1. Шушпанников, А.Б. Оценка инерционных свойств вертикально-вибрационных смесителей / А.Г. Золин, О.П. Рынза, C.B. Злобин // Техника и технология пищевых производств. - 2010.- № 1. - С. 18-20.

2. Шушпанников, А.Б. Основные направления при разработке непрерывно действующих смесеприготовительных агрегатов / А.Б. Шушпанников, Б.А. Фе-досенков, В.П. Дороганов, О.П. Рынза И Техника и технология пищевых про-ИЗВОДСТВ.-2010.- № 3. - С. 136-143.

Работы, опубликованные в материалах всероссийских конференций

3. Рынза, О.П. Сетчатый дозатор / О.П. Рынза, H.A. Суркова, C.B. Злобин // Пищевые продукты и здоровье человека: Материалы II Всероссийской конференции студентов и аспирантов. В 3-х частях. Часть 2. - 2009. - С. 119-120.

4. Суркова H.A. Исследование сетчатого дозатора / H.A. Суркова, О.П. Рыпза, C.B. Злобин // ПйЩевые продукты й здоровье человека: Материалы II Всероссийской конференции студентов и аспирантов. В 3-х частях. Часть 2. -2009.-С. 121-122.

5. Злобин, C.B. Расчет привода вертикально-вибрационных смесителей /' C.B. Злобин, О.П. Рынза, H.A. Суркова // Пищевые продукты и здоровье чело-

века: Материалы II Всероссийской конференции студентов и аспирантов. В 3-х частях. Часть 2. - 2009. - С. 106.

6. Рынза О.П. Разработка динамических моделей технических систем и программные средства для их реализации / О.П. Рынза // Пищевые продукты и здоровье человека: Материалы II Всероссийской конференции студентов и аспирантов. В 3-х частях. Часть 3. - 2009. — С.44.

7. Злобин. C.B. Исследование вертикально-вибрационного смесителя / C.B. Злобин, О.П. Рынза // Пищевые продукты и здоровье человека: Материалы III Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - 2010. - С. 294-295.

8. Рынза О.П. Результаты определения пропускной способности вибрирующих отверстий / О.П. Рынза, C.B. Злобин // Пищевые продукты и здоровье человека: Материалы III Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. — 2010. — С. 316-317.

Патент на изобретение

9. Пат. 2488435 РФ, МПК B01F 11/00. Вибрационный смеситель / А.Б. Шушпанников, А.Н. Потапов, C.B. Злобин, О.П. Рынза; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО КемТИПП (Ru). -№ 2012105486/05; заявл. 16.02.2012; опубл. 27.07.2013, Бюл. №21.

Список сокращений

СНД — Смеситель непрерывного действия; СА — Смесительный агрегат;

ВВСНД - Вертикальный вибрационный смеситель непрерывного действия;

ПФ - Передаточная функция.

Подписано к печати 02.09.2013 г. Формат 60/90/16 Объём 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 1215

Отпечатано на ризографе Кемеровский технологический институт

пищевой промышленности 650056, г. Кемерово, б-р Строителей, 47 отпечатано типографии ООО РПК «Радуга» 650004, г. Кемерово, ул. Соборная, 6

На права?орукописи

04201363200

РЫНЗА ОЛЕГ ПЕТРОВИЧ

РАЗРАБОТКА НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ НЕПРЕРЫВНОДЕЙСТВУЮЩЕГО СМЕСИТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА ВИБРАЦИОННОГО ТИПА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОМБИНИРОВАННЫХ

ПРОДУКТОВ

Специальности: 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Кандидат технических наук, доцент Шушпанников А.Б.

Кемерово — 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................5

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОЦЕССА НЕПРЕРЫВНОГО СМЕШИВАНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ..............9

1.1. СМЕСЕПРИГОТОВЛЕНИЕ В АППАРАТАХ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ..........................................................................9

1.2. СМЕШИВАНИЕ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ВИБРОКИПЯЩЕМ СЛОЕ.........................................................................................12

1.3. МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ СМЕШИВАНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ...........................................................18

1.4. АППАРАТУРНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЦЕССА СМЕШИВАНИЯ......24

1.4.1. Оборудование для дозирования пищевой продукции и изделий......24

1.4.2. Винтовые вертикальные вибрационные смесители (ВВВС)..............29

1.4.2.1. Прямоточные вибрационные смесители с винтовым перфорированным рабочим органом.........................................................30

1.4.2.2. Подъёмные вибрационные смесители с винтовым перфори-рованным

рабочим органом..........................................................................35

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1..................................................................45

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ НЕПРЕРЫВНОДЕЙСТВУЮЩИХ СМЕСИТЕЛЬНЫХ АНРЕГАТОВ ВИБРАЦИОННОГО ТИПА............................................................46

2.1. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СМЕШИВАНИЯ В ВИРТИКАЛЬНЫХ ВИБРАЦИОННЫХ СМЕСИТЕЯХ С РАЗЛИЧНОЙ ТОПОЛОГИЕЙ ДВИЖЕНИЯ МАТЕРИАЛЬНЫХ ПОТОКОВ НА БАЗЕ КОРРЕЛЯЦИОННОГО АНАЛИЗА.................................................46

2.2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕЦИРКУЛЯЦИИ НА ОДНОРОДНОСТЬ ГОТОВОЙ СМЕСИ............................................................................47

2.3. АНАЛИЗ СХЕМ ДВИЖЕНИЯ МАТЕРИАЛЬНЫХ ПОТОКОВ С УЧЕТОМ ПРОЦЕССА УСРЕДНЕНИЯ...............................................66

2.4. МЕТОДИКА ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ РЕЦИРКУЛЯЦИИ.........................................................................71

2.5. ФОРМИРОВАНИЕ ФУНЦИОНАЛЬНО-СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

СМЕСИТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА.....................................................77

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2................................................................83

ГЛАВА 3. АППАРАТУРНОЕ, ПРИБОРНОЕ И МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ..............84

3.1. ОПИСАНИЕ СТЕНДА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА СМЕШИВАНИЯ..........................................................................84

3.2. ОПИСАНИЕ ДОЗИРОВОЧНОГО ОБОРУДОВАНИЯ СТЕНДА.. 85

3.2.1. Спиральный дозатор............................................................85

3.2.2. Дозатор шнековый...............................................................86

3.2.3. Дозатор сетчатый........................... ........................................88

3.3 ОПИСАНИЕ ВИНТОВОГО ВЕРТИКАЛЬНОГО ВИБРАЦИОННОГО

СМЕСИТЕЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ..................................90

3.4. ВИБРОПРИВОД ДЛЯ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ВИНТОВЫХ СМЕСИТЕЛЕЙ

И РАСЧЕТ ЕГО МОЩНОСТИ.......................................................93

3.5 МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ........................98

3.5.1. Определение средней скорости движения материала и пропускной способности отверстия СНД...........................................................98

3.5.2. Методика определения погрешности дозирования.......................99

3.5.3. Методика определения качества смеси......................................100

3.6. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ИССЛЕДОВАНИЯХ.......................................101

3.7. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФУНКЦИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕНИ ПРЕБЫВАНИЯ ЧАСТИЦ В СМЕСИТЕЛЕ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ

ПЕРЕДАТОЧНЫХ ФУНКЦИЙ ВИБРАЦИОННОГО............................102

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3................................................................105

ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ СМЕСЕПРИГОТОВИТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА И ЕГО ФРАГМЕНТОВ....106

4.1. ВЛИЯНИЕ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ СЕТЧАТОГО ДОЗАТОРА НА ПОГРЕШНОСТЬ ДОЗИРОВАНИЯ И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ..........106

4.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ВИБРОТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ПРИ УГЛАХ ВИБРАЦИИ, РАВНЫХ 40° и 45°........................................111

4.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ ОТВЕРСТИЙ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ УГЛА ВИБРАЦИИ 40° И 45°...........................................114

4.4. КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ СИГНАЛОВ НЕПРЕРЫВНО-ГАРМОНИЧЕСКОГО ДОЗИРОВАНИЯ............................................117

4.5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ УСТАНОВКИ ВСТАВКИ С ДВУЗАХОДНЫМ ВИНТОВЫМ РАБОЧИМ ОРГАНОМ.......................119

4.6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРЕДАТОЧНЫХ ФУНКЦИЙ ВИБРАЦИОННОГО СНД С ПРЯМЫМ И ОБРАТНЫМ РЕЦИКЛАМИ.............................126

4.7. ПРОВЕРКА АДЕКВАТНОСТИ РЕЗУЛЬТАТОВ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ...............................................................................127

4.8. ВЛИЯНИЕ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВИБРАЦИОННОГО СМЕСИТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА НА КАЧЕСТВО ПОЛУЧАЕМОЙ СМЕСИ....................................................................................128

4.9. МЕТОД ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО РАЗБАВЛЕНИЯ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ.................131

4.10. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ ПРИВОДА ВЕРТИКАЛЬНОГО ВИБРАЦИОННОГО СМЕСИТЕЛЯ................................................133

4.11. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНЫХ ЭНЕРГОЗАТРАТ ВИБРАЦИОННОГО СНД.........................................................................................134

4.12. МЕТОДИКА РАСЧЕТА СМЕСИТЕЛЯ ВИБРАЦИОННОГО ТИПА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕЗУЛЬТАТОВ КИБЕРНЕТИЧЕСКОГО И КОРРЕЛЯЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ......................................136

4.13. АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВА САХАРНОГО

ПЕЧЕНЬЯ.................................................................................139

4.14. ПРАКТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СМЕСИТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА ПРИ ПОЛУЧЕНИИ СМЕСЕЙ КОМПОНЕНТОВ В ПРОИЗВОДСТВЕ САХАРНОГО ПЕЧЕНЬЯ «ТОПЛЕНОЕ

МОЛОКО»................................................................................142

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4................................................................145

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ..........................147

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.............................................................149

ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

Актуальность работы. Одним из важных факторов, определяющих здоровье человека, является питание. Сбалансированный рацион, обеспечивает нормальный рост и развитие организма, а также способствует профилактике заболеваний. В настоящее время предприятия пищевой промышленности ориентированы на получение комбинированных продуктов питания, обогащенных витаминами и биологически активными веществами. Основной проблемой при их производстве является равномерное распределение микродобавок по всему объёму смеси, т.к. такие композиции обычно готовят в чер-вячно-лопастных аппаратах периодического действия. При этом качество композиции и интенсивность процесса смешивания не удовлетворяют современным требованиям.

Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований процесса смешивания сыпучих материалов, показывает значительное преимущество агрегатов непрерывного действия по сравнению с периодическими. Переход на аппаратурное оформление стадии смешивания порошкообразных материалов по непрерывной схеме дает возможность автоматизировать процесс, уменьшить загрязнение производственных помещений и окружающей среды пылевыми выбросами, а также увеличить производительность труда при одновременном снижении энергопотребления, металлоемкости и себестоимости смеси.

Во многих случаях для этого целесообразно использовать винтовые вертикальные вибрационные смесители (СНД) непрерывного действия, которые при сохранении формы частиц перерабатывают сыпучие материалы с различными физико-механическими свойствами при хорошем качестве готового продукта. В них реализован перспективный способ переработки сыпучих материалов в тонких слоях (20-50 мм) за счет развитого рабочего органа, интенсивно виброактивирующего дисперсную систему, что при небольших габаритах аппарата и потребляемой мощности позволяет существенно сокра-

тить время смешивания. Фактически оно определяется отношением протяженности лотка к скорости транспортирования материала и в большинстве случаев не превышает двух минут. За счет хорошей сглаживающей способности ВВВС позволяют использовать дозаторы объемного типа. Поэтому, разработка новых конструкций винтовых вертикальных вибрационных смесителей непрерывного действия для переработки дисперсных материалов, создание теории и методики их расчета является актуальной научной задачей, представляющий большой практический интерес для пищевых и других отраслей промышленности.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с научными направлениями ФГБОУ ВПО Кемеровский технологический институт пищевой промышленности и грантом Минобрнауки.

Цель работы. Разработка новой конструкции смесительного агрегата непрерывного действия вибрационного типа для получения комбинированных продуктов на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Задачи исследований:

> математическое описание процесса смешивания сыпучих материалов в агрегатах непрерывного действия вибрационного типа с использованием элементов теории автоматического управления

> математическое описание процесса смешивания сыпучих материалов в винтовых вибрационных смесителях с помощью корреляционного анализа и моделей усреднения;

> исследование влияния различных факторов на процесс смесеприготов-ления сыпучих материалов в новой конструкции вибрационного смесителя непрерывного действия;

> формирование алгоритма расчета рациональных конструктивных параметров разрабатываемого смесителя и агрегата в целом;

> разработка новой конструкции СНД вибрационного типа с направленной организацией движения материальных потоков и сетчатого дозатора объемного типа;

> проверка разработанных математических моделей смесителя на адекватность реальному процессу;

> разработка аппаратурного оформления стадии смешивания сухой композиции в производстве сахарного печенья с использованием новой конструкции СНД вибрационного типа.

Научная новизна.

Создана математическая модель непрерывно действующего смесительного агрегата вибрационного типа, позволяющая в диалоговом режиме анализировать возможность получения сыпучих композиций заданного качества с учетом сглаживающих свойств смесителя.

Проведен корреляционный анализ влияния различных контуров рецикла на однородность смеси в СНД. Установлены рациональные диапазоны значений коэффициентов рециркуляции и числа витков аппарата. Исследовано влияние режимных и геометрических параметров работы смесителя с направленной организацией движения материалопотоков на качество смешивания мучных композиций. Предложен алгоритм расчета смесителя вибрационного типа, с учетом структуры движения материалопотоков в нем, и агрегата в целом.

Практическая значимость.

На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований процесса вибрационного смешивания сыпучих материалов разработаны новая конструкция винтового СНД вибрационного типа и сетчатого дозатора.

При непосредственном участии автора разработано аппаратурное оформление стадии непрерывного смешивания для производства сахарного печенья в холдинге «Алтайские закрома», г. Барнаул. Проведены успешные опытно-промышленные испытания новой конструкции СНД вибрационного типа.

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров на кафедре «Процессы и аппараты пищевых производств» ФГБОУ ВПО «КемТИПП» при дипломном и курсовом проектировании.

Автор защищает:

> Математическое описание процесса смешивания с использованием корреляционного анализа и кибернетического подхода в непрерывно-действующих смесительных агрегатах вибрационного типа для получения сухих сыпучих смесей;

> Результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса смешивания мучных композиций в винтовом смесителе с учетом влияния режимных и конструктивных параметров;

> Новые конструкции винтового вертикального вибрационного смесителя непрерывного действия и сетчатого дозатора.

Апробация работы. Основные положения, изложенные в диссертационной работе, были представлены и обсуждены на ежегодных конференциях Кемеровского технологического института пищевой промышленности (2008 - 2012). На II и III Всероссийских конференций студентов и аспирантов: «Пищевые продукты и здоровье человека».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК. Получен патент на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка литературы и приложений; включает 53 рисунка и 35 таблиц. Основной текст изложен на 148 странницах машинописного текста, приложения - на 41 страницах. Список литературы включает 120 наименований.

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОЦЕССА НЕПРЕРЫВНОГО СМЕШИВАНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ

В первой главе рассмотрены современное состояние теории процесса смешивания сыпучих материалов (СМ), существующие подходы при его математическом описании, а также проведен анализ дозировочного и смесительного оборудования вибрационного типа.

1.1. СМЕСЕПРИГОТОВЛЕНИЕ В АППАРАТАХ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ

Изучение и анализ монографий и диссертаций [7, 15, 22, 24, 28, 32, 37, 67, 68, 73, 74], обзорной информации [34, 36, 76], публикаций [1-13, 23, 41, 62, 83, 86, 88, 94-104] и другой литературы позволил сделать вывод, что одним из путей повышения качества композиций из сыпучих материалов, получаемых в смесителях непрерывного действия (СНД), является надежное сглаживание ими флуктуаций питающих потоков, которые вызваны неравномерной подачей компонентов дозирующими устройствами. Сглаживающую способность аппарата можно увеличить за счет применения внутренних или внешних рециклов материальных потоков. Это позволяет использовать в составе смесительного агрегата дозаторы с относительно большими погрешностями дозирования. Интересные конструктивные решения, направленные на увеличение сглаживающей способности СНД вибрационного типа, приведены в работах ученых КемТИППа [29, 32, 33-37, 48].

Суть второго направления, требующего своего развития, заключается в том, что с ростом соотношений ингредиентов увеличивается сложность получения качественных смесей. Одним из способов снижения остроты про-

блемы является метод «последовательного разбавления» [76]. В этом случае к ключевому компоненту, который входит в композицию в весьма незначительном количестве, предварительно примешивается часть основного. Затем к этому полуфабрикату добавляется вся оставшаяся часть основного компонента или следующая, повторяя, при необходимости, процесс «разбавления» многократно.

В своих работах Ребиндер П.А., Урьев Н.Б., Членов В.А. и другие [98,100] развили представления о структурообразовании полидисперсных материалов и показали возможность улучшения их свойств за счет преобразования структур путем подвода внешней механической энергии, в частности, вибрации.

Под действием вибрации в смеси возникают процессы тиксотропных превращений (виброожижение), в результате которых существенно уменьшаются силы взаимодействия между частицами. Это, во многом, предотвращает возможность образования конгломератов частиц и, как следствие, позволяет уменьшить продолжительность процесса смешения и энергозатраты. Использование вибрации дает возможность управлять в процессе смешивания структурно-реологическими свойствами смесей. В ряде случаев для усиления механических воздействий на конгломераты из частиц внутри вибрационного СНД размещается шаровая насадка, играющая роль измельчителя.

Положительный эффект от совмещения этих процессов в одном аппарате заключается в непрерывном разрушении связей между частицами, что обеспечивает их взаимную независимость и высокую подвижность относительно друг друга. Это благоприятствует их перераспределению при смешивании [61].

В ряде случаев, особенно когда необходимо получить высококачественные смеси при соотношении компонентов 1:100 и более, целесообразно использовать интенсивное диспергирование. Оно достигается, если компоненты в процессе смешивания испытывают высокие внутренние напряжения,

способные разрушать как частицы, так и силы сцепления между ними. С этой

10

точки зрения наиболее подходящими являются центробежные смесители-диспергаторы. Однако они имеют существенные недостатки - повышенный износ материала ротора и стенок, а также большие энергозатраты. Этих недостатков лишены те вибрационные СНД, в рабочей зоне которых отсутствуют вращающиеся части. Обоснование целесообразности использования вибрации для смешивания дисперсных материалов приводится в многочисленных работах ученых: Ребиндера П.А., Урьева Н.Б., Членова В.А., Та-лейсника М.А., Моргулиса М.Л., Блиничева В.Н., Кольмана-Иванова Э.Э., Гончаревича И.Ф., Кузьмичева В.А., Иванца В.Н. и других.

Однако, для получения в СНД качественных смесей дисперсных материалов одного только разрушения конгломератов из частиц недост