автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Совершенствование процесса смешивания сыпучих материалов в новом аппарате с подвижной лентой

На правах рукописи

БАКИН МИХАИЛ НИКОЛАЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА СМЕШИВАНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ В НОВОМ АППАРАТЕ С ПОДВИЖНОЙ ЛЕНТОЙ

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 3 ОКТ 2014

005553828

Ярославль-2014

005553828

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ярославский государственный технический университет» на кафедре «Теоретическая механика».

Научный руководитель: Капранова Анна Борисовна

доктор физико-математических наук, доцент,

ФГБОУ ВПО «Ярославский государственный технический

университет»

Официальные оппоненты: Мизонов Вадим Евгеньевич

доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ивановский государственный энергетический университет», кафедра прикладной математики, заведующий кафедрой

Бушмелев Андрей Викторович

кандидат технических наук, ЗАО «Еремеевское» (г. Ярославль), заведующий лабораторией

Ведущая организация: ОАО «Термостойкие изделия и инженерные разработки»

(ОАО «ТИИР»), г.Ярославль

Защита состоится 11 декабря 2014 г. в 14.00 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.308.01, созданного на базе Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ярославский государственный технический университет», по адресу: 150023, г. Ярославль, Московский проспект, 88. ауд. Г-219.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Ярославский государственный технический университет» по адресу: 150023, г. Ярославль, Московский пр. 88, и на сайте университета http://www.ystu.ru/science/dissertation/timetable/.

Автореферат разослан «08 » октября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д. х. н., профессор

Ильин А.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Широкое применение сыпучих смесей с соотношением омпонентов 1:10 и более при производстве строительных материалов, в различных отраслях фармацевтической, пищевой, химической промышленности требует разработки ффективных смесителей с учетом особенностей протекания данного процесса, ктуальность создания новых смесительных устройств объясняется обширным диапазоном [шзико-механических свойств частиц, особенностей требований к конечному продукту, звестно множество смесительных устройств, в которых в целях обеспечения непрерывной ереработки сыпучих компонентов с размерами частиц (0,1-0,8) мм в качестве основного абочего органа используется подвижная лента. В то же время применение этих аппаратов ля смешивания увлажненных или склонных к слипанию и агломерированию зернистых атериалов при их объёмном соотношении 1:10 и более требует дополнительных еоретических и опытных исследований.

Задачи получения качественных смесей в таких «неудобных» случаях могут быть ешены в смесителе с подвижной лентой при её контакте с гибкими элементами (билами) с беспечением трехстадийного смешивания сред при неравномерном шаге дозирования торого (2) компонента с большей объемной долей в регламентном составе готового родукта. Указанная неравномерность дозирования предполагает на 2-ом (3-ом) этапе агрузку материала «2» объемом, равным объему полученной смеси после 1-го (2-го оответственно) этапа, что согласуется с известным практическим принципом «наилучшего мешивания равных объемов». Доля второго компонента на 1-ом этапе рассчитывается по предлагаемой в настоящей работе рекуррентной формуле. Применение многостадийного способа смешивания сыпучих сред с равномерным шагом дозирования компонента «2» (с его объемом на каждой стадии, равным общему объему материала «1», загружаемого на 1-ом этапе) не дает требуемого качества сухой или влажной сыпучей смеси с коэффициентом неоднородности менее 10%. Математическое описание процесса может быть выполнено построением стохастической модели смешивания компонентов, способной выявить механизм поведения частиц как в характерном локальном объеме их смешивания (микроуровень), так и в полной рабочей области смесителя (макроуровень); определением эффективных диапазонов изменения конструктивно-режимных параметров аппарата; проведением оценки качества смеси.

Целью работы является совершенствование процесса смешивания сыпучих компонентов с соотношением 1:10 и более, в том числе увлажненных или склонных к слипанию и агломерированию, в новом аппарате с подвижной лентой на базе создания математического описания физической сущности процесса. Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:

- разработка стохастической модели смешивания сыпучих материалов трехстадийным способом с неравномерным шагом дозирования второго компонента (с большей долей в объеме смеси) в рабочей области нового барабанно-ленточного аппарата, основанной на теории ударных процессов в дисперсных системах;

- теоретическое обоснование возможности получения качественной сыпучей смеси, в том числе из увлажненных дисперсных материалов, с соотношением 1:10 и более в рабочем объеме аппарата с подвижной лентой;

- проведение серии сравнительных теоретико-экспериментальных исследований процесса смешивания сыпучих материалов в указанном аппарате и обоснование целесообразности применения трехстадийного способа смешивания сыпучих компонентов в соотношении 1:10 и более; .

разработка на основе теоретико-экспериментальных исследований методики инженерного расчета нового барабанно-ленточного аппарата с эластичными рабочими органами для смешивания сыпучих компонентов в соотношении 1:10 и более, в том числе увлажненных.

Научная новизна работы:

- на основе теории ударных процессов в дисперсных системах построено стохастическое описание движения сыпучих компонентов, в том числе увлажненных, в рабочей области нового барабанно-ленточного устройства; получен набор дифференциальных функций распределения числа частиц материалов по углам рассеивания, образованных деформированными билами, для разреженных потоков в зависимости от конструктивных и режимных параметров аппарата, физико-механических характеристик перерабатываемых сред;

- в рамках сформированной стохастической модели предложен способ оценки коэффициента неоднородности получаемой смеси с соотношением компонентов 1:10 и более для каждого этапа порционного трехстадийного смешивания в зависимости от объемного расхода материалов, угловой скорости вращения барабанов, фрикционного параметра, относительной деформации бил, ширины шага их винтовой навивки на поверхности барабанов; показано удовлетворительное согласие полученных теоретических и экспериментальных результатов с относительной ошибкой (10-И4) %;

- в результате проведённой серии теоретико-экспериментальных исследований дано обоснование использования указанного трехстадийного способа смешивания материалов и разработана методика инженерного расчета конструктивных и режимных параметров нового аппарата с подвижной лентой.

Практическая значимость и реализация:

- применение разработанного аппарата на основе контакта подвижной ленты с эластичными рабочими органами позволяет получить однородные смеси сыпучих материалов с соотношением 1:10 и более, а также смешивать дисперсные, увлажненные или склонные к слипанию и агломерированию компоненты;

- разработанная методика инженерного расчета указанного нового аппарата может быть использована в проектных организациях для создания смесителей в различных отраслях промышленности;

- предложена технологическая схема агрегата для получения формовочной смеси для изготовления металлических отливок с научно-технической документацией, которая передана в ОАО «Автодизель» (г. Ярославль). Агрегат планируется к внедрению в литейном цехе серого чугуна для приготовления формовочной смеси в 2016 г.

Автор защищает:

- стохастическую модель движения сыпучих компонентов, в том числе увлажненных, в рабочей области барабанно-ленточного устройства с расположением бил по винтовой линии в поперечной плоскости вращения барабана;

- способ оценки коэффициента неоднородности получаемой смеси с соотношением компонентов 1:10 и более для каждого этапа порционного трехстадийного смешивания сыпучих материалов с учетом неравномерности шага дозирования второго компонента в зависимости от режимных параметров устройства и физико-механических характеристик частиц;

- результаты теоретико-экспериментальных исследований процесса смешивания сыпучих материалов, в том числе увлажнённых, на базе контакта подвижной ленты с барабанами, имеющими гибкие элементы на поверхности, и обоснование трехстадийного

пособа получения зернистой смеси с объемно-весовой долей одного компонента, февышаюшей долю другого в 10 раз и более;

конструктивную схему нового барабанно-ленточного смесителя сыпучих омпонентов в соотношении 1:10 и более, в том числе увлажненных или склонных к адгезии агломерированию, а также инженерный метод расчета его конструктивных и режимных араметров.

Личный вклад автора. Диссертантом разработаны: стохастическая модель мешивания сыпучих материалов в рабочем объеме указанного нового смесителя и способ ценки качества смеси на каждом этапе трехстадийного смешивания с неравномерным агом дозирования второго компонента (с большей долей в объеме смеси). Выполнен весь бъем опытных исследований, произведены необходимые расчеты, обработаны и роанализированы результаты, сформулированы выводы по каждому разделу работы.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и бсуждались: на 25-й научной конференции стран СНГ «Дисперсные системы» (г. Одесса, краина, 2012 г.); на 26-й и 27-й Международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях» - ММТТ-26 и ММТТ-27 (г. Саратов, 2013 г. и Тамбов.

014 г.); на 3-й Международной научно-технической конференции «Нестационарные, энерго- и ресурсосберегающие процессы и оборудование в химической, нано- и биотехнологии - НЭРПО-2013» (г. Москва, 2013 г.); на Международной научной конференции «Проблемы ресурсо- и энергосберегающих технологий в промышленности и АПК» - ПРЭТ-2014 (г. Иваново, 2014 г.); на 66-й и 67-й Региональных научно-технических конференциях ЯГТУ студентов, магистрантов и аспирантов с международным участием (г. Ярославль, 2013-2014 гг.).

Публикации. По материалам выполненных исследований опубликовано 17 научных работ, из них 7 статей в ведущих рецензируемых журналах и изданиях, рекомендуемых ВАК, а также 1 патент РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Основное содержание диссертации изложено на 168 стр. основного текста, включая рисунки, таблицы и список литературы из 170 наименований. Общий объем работы вместе с приложениями составляет 179 стр.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели исследования, показана научная новизна и практическая ценность работы и дана общая характеристика диссертационной работы.

Первая глава состоит из трёх основных подразделов. На основе предложенной условной классификации современного оборудования для смешивания сыпучих материалов с использованием подвижной ленты по различным конструктивным признакам (п. 1.1) выявлена сложность при использовании известного оборудования обеспечить эффективное смешивание с соотношением компонентов, когда объемно-весовая доля одного материала значительно превышает долю другого, а также влажных зернистых сред или склонных к слипанию и агломерации. Анализ известных методов моделирования данного процесса (п. 1.2) показал отсутствие универсальной модели, достоверно и полно описывающей смешивание в смесителе на подвижной ленте. Рекомендован компьютерный способ оценки качества сыпучей смеси (п. 1.3) с анализом пиксельных изображений фото опытных ее проб с помощью расчета положения «порогового оттенка». Показана целесообразность: разработки нового аппарата с постепенным внесением одного из компонентов смеси для достижения их долевого соотношения 1:10 и более; стохастического моделирования

указанного смешивания на базе теории ударных процессов. Разработана структурная схема объектов исследования.

Вторая глава посвящена: стохастическому описанию смешивания сыпучих материалов в новом аппарате на основе теории ударных процессов (п. 2.1-2.4); разработка способов реализации указанной операции в данном агрегате (п. 2.5.1) и оценки качества1 смеси (п. 2.5.2). Основные особенности разработанного устройства (п. 2.1. рис. 1) в сравнении с известным оборудованием данного назначения - форма и расположение бил на барабанах, а также способ внесения компонентов на подвижную ленту.

а) б)

Рис. 1. Барабанно-ленточный смеситель сыпучих сред: а) принципиальная схема: 1 - ленточный транспортер, 2 - электродвигатель, 3 и 4 - бункеры, 5 - барабаны с эластичными рабочими элементами, 6 - приемное устройство; б) фото барабанного смесителя с гибкими элементами

Качественный анализ движения частиц зернистых сред после срыва с гибких элементов (п. 2.2.1) при аналогии с плоско-деформационной моделью перемещения твердых дисперсных сред в сужающемся канале шнека позволил получить уравнение спиральной кривой для проекций координат точек концов деформированных бил Е, О,

= 1, рис. 2, а) на указанную плоскость в полярной системе координат (/•,в) в форме

г, (в) = гъ+1ь~ (4 - Ло )[1 - 2Кв1ь" ]. (1)

Угловые координаты В, для точек связаны с углом распыливания частиц а]

aj +7r/2-arcsin

in(Jysin2,?, +(1 +>bf J'cos^jto (2)

когда коэффициенты s0,qo,qt зависят от параметров аппарата и угла <5, . Кинематический анализ движения частицы с координатами (гц-,ви) го компонента смеси (i = \,..,nk) при их отрыве от j-го гибкого элемента барабана приводит к выражению для проекций vxy,j = v,.№/ вектора скорости vц (п. 2.2.2, рис. 2, б).

Vreij = со ty(б,,)/ cospj, г,,{в,,) = rj =п(в_,), (3)

Pj =arctg \fh.U-\h +Ло +Ub -/io)(l-2W^)]"'j • (4)

Пусть каждый /-й поток состоит из частиц, возможно влажных, сферической формы с усредненной массой = 6"'nkmPnds (п. 2.3). Выражение (3) позволяет в плоскости Оху задать стохастическую энергию частицы /-го компонента в элементе фазового объема, связывающего ее полярные координаты: с/Ц = J^i/Ty =-w2YJJ,=ir!/driid0il.

Считая происходящие взаимодействия частиц i-го материала с j-м гибким элементом независимыми друг от друга, ограничимся стохастическим описанием движения этих частиц

в момент их отрыва от конца у'-го била барабана в фазовом объеме вида d0.j = dГ j = -a>1r]drjdвj согласно схемам на рис. 2. Согласно выбранному стохастическому подходу убывание числа частиц /-го компонента в разреженном потоке ЫИу после срыва с у-го била представляется экспоненциальным относительно стохастической энергии £,, отдельно рассматриваемой частицы в элементе сШ,

сШц = /%ехр(-£/, / Е0ц)с1П /.

(5)

Рис.2. Условные схемы:

а) деформирования гибких бил: 1—лента,

2—барабан 3—би.ю 4-слон сын) чп\ компонентов; б) разложения скоростей

а) б)

Здесь нормировочный коэффициент А,, и обобщенный энергетический параметр Еду вычисляются с помощью: выражения для М, - числа частиц /-го материала, взаимодействующего с7-м билом, и уравнения балансов энергий в момент срыва частиц /'-го компонента с каждого _/'-го била с учетом эффекта смешивания

-

dNl

V '

(6)

где Ещ - суммарная энергия для частиц формируемых потоков всех компонентов (из набора / = 1 ,..,Пк) при их срыве с у'-го била. Определяя стохастическую энергию Еу частицы/-го компонента из (5), как сумму трех слагаемых - кинетических энергий ее поступательного и вращательного движений (с учетом случайного характера момента импульсов Му = Н/тг^гву при Ау =[гх{в])]2{[гЛ.в])]2 +[2А.У(4 -Ьо)Ц']2}'"2), а также энергии этой частицы при упругом взаимодействии с билом (при угловом параметре жесткости к,,). равной работе его сил упругости, получим

Еу = т„Угву / 2 + Му / (2/,) + кив/ / 2.

(7)

Дифференциальная функция распределения /-го сыпучего компонента смеси Ец{а!) = А',/-1 а'Д'// / а1а/ при отрыве от j-гo гибкого элемента смесителя в зависимости от а, с учетом (2) задается интегрированием dN,j в фазовом объеме dQ.j = -со2г^г/

/=;,(«/) = В2у

(4 [1 + {а, + )]') -ег*-{В1,) ехр[-к„(2Е0у)"1 ё1 (»/ + gi )2]}, (8)

где B],J,B2iJ,go,g■¡,g'^ - зависят от параметров аппарата; егГ((/) = 2л 1 ^ ехр{-и2)с/и -

функция ошибок. Полная дифференциальная функция распределения сыпучего /'-го компонента смеси по углу распыливания частиц в плоскости Оху имеет форму

= (9)

В качестве примера (п. 2.4) рассмотрено моделирование Р,,(а/) и Ф,(«/) в случае следующих значений или пределов изменений: (1) конструктивных параметров ч =3,010-2 м; /л = 4,5-Ю"3 м; =(1,5-3,0)10"2 м; ¿¿,=1,85-10"' м при щ= 3 - числе бил (у = 1,..,/7Л) с поворотом барабана на угол л/2 рад; (2) режимных показателей го = (41-58) рад/с: Ь0 = (2,0-3.0)-10"2 м; (3) физико-механических характеристик: смешиваемых компонентов -манной крупы ГОСТ 7022-97 (компонент «1», ру-, = 1,440■ 101 кг/м"; = 4,0-10 4 м; км 1 =(1,0-1,4)) и природного песка ГОСТ 8736-93 (компонент «2», рГ2 =1,525 101 кг/м3;

с/,52 = 1,5■ 10"4 м; к\уг = (1,0-1,4)); гибких элементов - &„=5,010"4 кг-м/рад. Предложено ввести обобщенный конструктивно-режимный параметр аппарата Д = 1Ь / И0, описывающий относительные деформации бил. Считается, что распределение смешиваемых частиц происходит в пределах изменения угла #/=[0;л- ] , при / = 1,2 и у = 1,2,3. Расчетные значения

параметров Ео,/ имеют порядок: (10"*-10~3) для крупы и (Ю^-10"4) для песка. Получено, что отношение максимальных углов рассеивания частиц компонентов «1» и «2» достигает ■значений: при /ь-=2,5-10"2 м; © = 47,12 рад/с и аГу^ /а®ах«1,1

(поверхности 4 на рис. 3) при Их = 1,610"2 м; ® = 52,36 рад/с. При /гл=1,610"2 м; « = 52,36 рад/с для крупы и песка наблюдается схожий характер поведения функций Ф,(а,,со), Я/(а/,Д), Ф/(«/,Д)- Для данных функций (рис. 3) семейства поверхностей показывают, что с уменьшением в 1,88 раза шага винтовой навивки бил 4 происходит сближение значений максимальных углов распыливания частиц манной крупы и речного

песка, что позволяет выявить условия наиболее качественного смешивания указанных сред. Эффект сближения сохраняется при » = (41-58) рад/с. Постепенный подъем

поверхностей /^(ау.Д) и Ф^а^.Д) при Д>1,55 приводит к ухудшению качества смеси. Анализ графиков для функций Ф1(а/,гу) и Ф2(«/,й>) в случае

/?! = 1,6-10"2 м; » = 52,36 рад/с показывает, что для песка (рис. 4) с ростом массы его частиц за счет увлажнения поверхности в 1,2 раза (кривые ] и 3) наблюдается уменьшение максимального

значения угла распыливания в

рад

а) б)

Рис. 3. Дифференциальные функции распределения числа невлажных (кт = 1,0) частиц природного песка ГОСТ 873693 (/ = 2) по углу распыливания и угловой скорости вращения барабана: И.ч = 1,6• 10-2 м; а) Д = 1,5 ; б) со = 52,36 рад/с; поверхности для зависимостей: (1-3)- /-^(ату): 1 -/= 1, 2 -7=2; 3 -у=3, 4- Ф2(огу)

в 1,15 раза и некоторое сужение дисперсионного интервала. Для манной крупы (<4'1 = 2,7) с ростом степени ее увлажнения частицы отклоняются на больший угол в сравнении с сухим состоянием вне зависимости от значений шага навивки бил И.ч .

В п. 2.5 предложен трехстадийный способ

получения сыпучей

двухкомпонентной смеси с соотношением объемных долей 1:10 и более (У,л : У,_7 = !:«[•) при

неравномерном шаге

дозирования материала «2» с большим его содержанием в

готовом продукте. Примеры расчета объемных долей материалов кц, к'12 Для каждого

т-этапа (г= 1,..., пт) и их разностей для 1-й стадии Дсогласно полученным рекуррентным формулам содержится в табл. 1.

Табл. 1. Рассчитанные значения объемных долей сыпучих компонентов __на каждом этапе нх смешивания при пх— 3_

№ этапа г = 1 г = 2 г = 3

Пу к(Х) [Л д*(1) L2 KL2 XÜ, ^ ¿(2) L2 X,=l kU k0) KL2

10 1,00 0,75 1,75 2,75 2,75 5,50 5,50

100 1.00 23,25 24,25 25,25 25,25 50,50 50,50

Применяется рекуррентное соотношение для коэффициента неоднородности смеси

VC(T) = 100(< ст2 > / < сг >2 -1)"2, (10)

где <ех2> - среднее значение от квадрата массовой доли ключевого компонента ет в зависимости от угла его распыливания а, в рабочем объеме устройства для г-ступени согласно (8) и (9); <сх>2 - квадрат среднего значения описанной массовой доли ст

{сг) = («таХ +amii,)~' Г"""crdotj, (с/) = (OW + «mm)~' Г""" Cr' da j , (II)

' ' «"min

где amm, amin - максимальное и минимальное значения угла распыливания материалов из

наборов {а/, j— 1..... пь) (рис. 2). Дополнительно введен конструктивно-режимный

фрикционный параметр fLb = со(г/, + ho) / vi, связывающий угловую скорость вращения барабанов с линейной скоростью движения транспортерной ленты vL.

После 1-й стадии (т =1) при Д =1,5 для влажной смеси (кривая 1, рис. 5) интервал минимальных значений (/(-(])=(9,l-9,2)% в диапазоне //А =(8.5-9.0) практически равен

К('(1)Для невлажного продукта при _Д/.=(8,2-8,5). Повышение параметра Д на 0.05 ед. приводит к увеличению минимального значения VC(i) почти в 1,5 раза (кривая /'), а рост Дна 0,1 ед. - в 2,3 раза (кривая 7"). Завершение 2-й стадии (г =2) при Д=1,5 в одинаковых интервалах //>=(9,7-9,8) ведет к различному поведению функции Vc(2)(/i.h) в зависимости от степени влажности: к снижению в 3,4 раза (до 2.7%) для сухой смеси и к увеличению в 2,2 раза (до 20,0%) для влажной (пунктирная кривая 2). В первом случае - «работает» практический принцип наилучшего смешивания равных объемов сухих компонентов, а во

рад

Рис. 4. Зависимость Ф?(«/) для природного песка ГОСТ 8736-93 (/ = 2) при различных степенях влажности: = 3; А.^ =1,6-10-2 м, со = 52,36 рад/с; 1 - км = 1,0; 2- А>, = 1,142; ¿№2 = 1,074; 3-^=1,2

Рис. 5. Зависимость Усм(Л.ь) Для трехстадийного способа получения увлажненной смеси природного песка ГОСТ 8736-93 и манной крупы ГОСТ 7022-97: пь = 3; /ь=1,б-10"2 м; Пу =10; кт = 1,142; к№1 = 1,074, линии: сплошные I, 1/ " - г — 1,

пунктирные 2, 2', 2 " — т —2; сплошные 3, 3', 3" - г=3; 1,2,3 -Д = 1,50; Г,2\3' - Д=1,55; /",2", 3" - Д=1,60

Увеличение ) в 5 раз при росте значений Д от 1,5 до 1,6 в случаях сухой и увлажненной смеси (кривые 2'.

втором- сказывается слипаемость частиц разносортных материалов.

8

9

2'') позволяет в

дальнейшем существенно ограничить область изменения Д. Стадия г =3 дает возможность при Д = 1.5 получить требуемое качество зернистой смеси с минимальными значениями '<(3)=(3.0-3,2)% в интервале /¿/,=(9,8-10,0) соответственно для сухого и влажного продукта (кривая 3, рис. 5). Эффективность 3-й стадии для сухой или увлажненной смесей связана с реализацией указанного принципа наилучшего смешивания при достаточном разделении образовавшихся комков влажных частиц с помощью их взаимодействия с билами. Наращивание Д от 1,5 до 1,6 влечет рост УС(3) (кривые 3 ', 3 '').

В третьей главе приведено описание: лабораторной установки для изучения смешивания сыпучих материалов (п. 3.1. рис. 6); особенностей их физико-механических свойств и выбора параметров аппарата (п. 3.2); результатов опытных испытаний смесительного устройства при различных способах получения смеси манной крупы ГОСТ 7022-97 (компонент «1») и природного песка ГОСТ 8736-93 (компонент «2», после его просева через сито ГОСТ 4403-91 с номинальным размером отверстий 0,67 мм) в соотношении их объемных долей 1:10 (п. 3.3); сравнительного анализа полученных теоретико-экспериментальных данных исследований указанного процесса (п. 3.4). Предлагается два способа проведения опытов, оба из которых основаны на известном практическом принципе наилучшего смешивания равных объемов компонентов.

Рис. 6. Опытная установка для изучения процесса смешивания сыпучих материалов:

я) принципиальная схема: 1 - ленточный транспортер, 2 - электродвигатели, 3 и 4 - бункеры, 5 - барабаны с эластичными рабочими элементами, 6 - приемное устройство: б) внешний вид

Способ I (.многостадийный) предполагает постепенное многостадийное смешивание компонентов, при котором объем материала «2» с требуемым его большим содержанием в готовой смеси в соотношении 1:10 делится на порции, равные всему объему меньшего компонента «1». Приёмное устройство 6 (рис. 6) представляет собой ловушку, из которой

а)

б)

после завершения процесса смешивания берутся пробы для определения коэффициента неоднородности. Способ II (трехстадийный) применяет схему (табл. 1) смешивания зернистых сред в три этапа, когда на последних двух — реализация указанного процесса производится с равным соотношением объемов - полученной на предыдущей стадии смеси компонентов «1»-«2» и новой порции сыпучего материала «2. Смесительный эффект в рабочем объеме усиливается за счет применения бил с винтовой навивкой на барабанах узла 5 (hs = 1,6 ■ 1(Г2 м и hs = 3,0 ■ 10~2 м).

Основные задачи опытных исследований при способах смешивания I и //: (а) установление зависимости распределений массовых долей материалов от угла а, при различных частотах вращения барабанов (б) определение зависимостей - У(- =Ус(п): Ус = Fc(A); Vc = Ус(Qvi) от объемного расхода зернистых сред; (в) сравнительная оценка качества смеси при внесении компонента «2» двумя многостадийными методами - при условии прохождения смеси через одинаковое количество узлов - (1) порционным и (2) однократным для всего его объема. Выбор режимных параметров -и и Oy 2 зависит от способа смешивания. Конструктивные параметры изменялись следующим образом: /г., = 1,6 Ю-' м или /j.v =3,0-10-2 м; конструктивно-режимные - в пределах Д = (1,0-2,25); fih =(9 — 11); зафиксированы - h0 =(2,0-3,0)10"2 м; г/, = 3,0-10~2 м; Lh =1,85 10"' м; 4 =4,5 10~2 м. Для определения распределения массовых долей сухих компонентов (при объёмном соотношении крупы и песка 1:1) по углу ау применялся вертикальный приемник -ловушка с параллельными ячейками, расположенная вертикально за барабаном. При увеличении п от 200 до 400 мин'1 становится шире зона, в которую одновременно попадает значительное количество частиц обеих сред, что объясняет улучшение качества смеси.

Для многостадийного способа (рис. 7, б, в) при hs = 1,6 ■ 10~2 м с увеличением частоты вращения смесителей от 100 мин"1 до 500 мин"' наблюдается существенное снижение У(■ от 20,3 до 9,3 % для сухих материалов и от 26,4 до 13,3 % - для влажных, что, вероятно, связано с эффектом сближения максимальных углов распыливания частиц в их потоках.

ü32

%

28 24 20 16 12 8

к

I

1 1 ....... ___

Ü 32 L

% К

J4 .чЧ

30(1 400 5 Oft (.00

а)

20

16 Г 12 |

8 i [00

-ж.

"--.-г..

.... ; .

>s j' ......i

2 (К) 3IX) 400 500 (.00

20 Ч\ U. \ 12

8 -S-

А**.!

V- Л

1.00 1.25 1,50 1,75 '.00

б)

Рис. 7. Зависимость коэффициента неоднородности смеси манной крупы ГОСТ 7022-97 и природного песка ГОСТ 8736-93 при однократном (в) и порционном многостадийном (б, в) внесении компонента «2» (песка) от параметров смесителя:/ь-=1,610~2 м; (¿у2 = 8 10-3 м3/ч; точки-опытные данные: пунктир - регрессионные кривые; а) Кс = К<~(л); Ап=Лг2=1; способы смешивания: /порционное многостадийное; 2 - однократное; б. в) порционное многостадийное смешивание; б) Ус=Ус(п)-, Д = 1,5 ; в) Ус = КС-(Д); 4=500 мин"'; б, в) / - И* = 1,6 10~2 м, кя\ = к„г = 1; /'- Ы = 1,6-10 : м, к№\ =1,142 и к№1 = 1,074 ; 2- /& = 3,0-10~2 м; ки>\ =к№г = 1; 2'- Кч =3,010"2 м; кК\ =1,142 и кг2 =1,074

распределения (при отрыве с j-го била и обобщенная) /'-го компонента по углу а, , рад"1;

- фрикционный параметр (fu, = a(jb+k))/vL); ho - высота зазора, м; ЛЛ - шаг винтовой навивки бил, м; km - коэффициент влажности, (отношение массы влажной и сухой частиц); кг,- угловая жесткость била, кг м/рад; Lb и - длина: барабана и била, м; - момент импульсов частицы, кг м"/с; ппу, - усреднённая масса частицы, кг; N - число частиц; п - частота вращения, мин'1; щ - число бил; пп - объемные доли; Л'„,, Ыть. /V,,,/., Л'„,/ о -мощности привода: полная; одного барабана, ленты; вала, кВт; Qi(qv) - объёмный расход компонента /, м3/ч; /7, (г,а) - радиус барабана (била), м; гх(в) - уравнение спиральной кривой для концов бил, м; Vc - коэффициент неоднородности, %; Vi, VLi объемы: слоя,

захватываемого барабаном за 1 оборот; Vj и - скорость ленты и частицы среды i при срыве с била j в полярной системе, м/с; aj - угол распыливания при срыве с j-го била, рад; Pj = Z.(n,7j), рад; Д - параметр Д =lb/h0;dj и <pj- углы при описании деформации бил. рад; в/ - угловая координата D,, рад;рТ, (рн,) • плотность: истинная (насыпная) материала, кг/м3; со - угловая скорость, рад/с.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Из анализа современного состояния проблемы смешивания сыпучих материалом с соотношением компонентов 1:10 и более, в том числе «неудобных» - увлажнённых и склонных к адгезии и агломерированию - показали целесообразность использования трёхстадийной переработки в барабанно-ленточных устройствах; обосновано применение стохастического подхода при моделировании процесса.

2. Построение модели порционного смешивания на основе стохастического подхода в рамках взаимодействия дисперсных систем позволило получить зависимости для коэффициента неоднородности смеси после каждой стадии переработки в зависимости от режимных параметров работы аппарата и физико-механических свойств зернистых сред.

3. Теоретически доказана и экспериментально подтверждена целесообразность применения трёхстадийного способа получения смеси с размером составляющих частиц (1,5-^-4,0)10 м с неравномерным шагом дозирования компонента, имеющего больший объём в составе готового продукта. При этом в интервале изменения фрикционного параметра /¿/,=(9,8-10,0) и Д=1,5 соответственно для сухих {кт = 1,0) и влажных (£)ci = 1,142; ¿»-2 =1,074) сыпучих сред расчетные минимальные значения коэффициента однородности соответствуют требуемому качеству смеси в пределах К( П)=(3,0-3,2) %.

4. Показано, что применение порционного многократного внесения второго сыпучего компонента с равномерным шагом его дозирования (при его большем объемном содержании в готовом продукте с соотношением 1:10) по сравнению с однократной загрузкой всего его объема при условии использования одинакового количества ступеней смешивания позволяет снизить коэффициент неоднородности смеси более чем в 1,5 раза до значений 9,3-11,6 % в пределах изменения частоты вращения (400-550) мин'1. Дальнейшее наращивание часто 1ы вращения барабанов не приводит к улучшению качества смеси, но повышает энергозатраты.

5. Рассчитаны и экспериментально подтверждены наиболее рациональные конструктивные и режимные пределы изменения параметров работы смесительного агрегата, многостадийного и трёхстадийного, соответствующие требуемому значению коэффициента неоднородности.

6. Экспериментально доказана возможность смешивания влажных сыпучих материалов (Ап =1,142; кп-2 = 1,074) различными исследованными способами с сохранением общего характера протекания процесса в сравнении с операцией получения сухой смеси (kirI = kwi =1,0). При исследованном многостадийном смешивании наилучший коэффициент неоднородности влажной смеси (13,3%) превышает этот показатель для сухой (9,3 %) в 1,4 раза, а в случае указанного трехстадийного минимальное расчетное значение Ус соответствует 3% для сухой смеси и 12% для увлажненной.

7. Установлено, что эффективная реализация указанного трехстадийного смешивания зернистых сред с коэффициентом неоднородности, не превышающем 5%, при переходе от одного этапа к другому связана с повышением критериального числа Фруда в 1,14 раза и фрикционного параметра в 1.12 раза при их обобщенных пределах соответствен но Fr = (1,05-1,20) и /¿А= (9,17-10,23).

8. Предложены способы оценки энергетических характеристик новых барабанно-ленточных устройств. Созданы инженерные методики и блок-схемы расчета основных режимных и конструктивных параметров - смесительного барабана и ленточного конвейера аппарата с подвижной лентой. Техническая документация на барабанно-ленточный аппарат передана предприятию ОАО «Автодизель» для использования при получении формовочной смеси с требуемой часовой производительностью 16,8 т/ч.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Бакнн, М.Н. Современные методы математического описания процесса смешивания сыпучих материалов / М.Н. Бакин, А.Б. Капранова. И.И. Верлока // Фундаментальные исследования. - № 5 (часть5), 2014. -с.923-927; URL: www.rae.ru /fs/?section=content&op=show_article&article_id=10003287(aaTa обращения: 27.05.2014).

2. Бакин, М.Н. Исследование распределения сыпучих компонентов в рабочем объеме барабанно-ленточного смесителя / М.Н. Бакин, А.Б. Капранова, И.И. Верлока // Фундаментальные исследования. - №5 (часть 5), - 2014. -с.928-933; URL: www.rae.ru /fs/?section=content&op=show_article&article_id=10003288 (дата обращения: 27.05.2014).

3. Бакнн, М.Н. Современные аппараты с подвижной лентой для смешивания сыпучих материалов / М.Н. Бакин, А.Б. Капранова, И.И. Верлока // Фундаментапьные исследования. -№ 5 (часть 4), 2014. - с.687-691; URL: www.rae.ru/fs/?section=content&op=show_ article&article_id=l0003246 (дата обращения: 27.05.2014).

4. Исследование ударного смешивания твердых дисперсных сред при вторичных столкновениях частиц / А.Б. Капранова, М.Н. Бакин, А.Е. Лебедев, А.И. Зайцев // Изв. ВУЗов. Химия и химическая технология.-Иваново, 2013. - Т. 56, вып. 6. - с. 83-86.

5. Оценка параметра восстановления ударно-взаимодействующих потоков твердых дисперсных сред с наклонным отбойником / А.Б. Капранова, М.Н. Бакин, А.Е. Лебедев, А.И. Зайцев // Изв. ВУЗов. Химия и химическая технология. - Иваново, 2013. - Т.56, вып. 8. - с.111-113.

6. Моделирование процесса образования кратера в слое сыпучей среды после удара одиночной частицы / А.Б. Капранова, A.A. Петров, М.Н. Бакин, А.И. Зайцев // Изв. ВУЗов. Химия и химическая технология. - Иваново, 2013. - Т. 56, вып. 10. - с.119-121.

7. Оценка коэффициента неоднородности зернистой смеси в объеме барабанно-ленточного устройства / М.Н. Бакин, А.Б. Капранова, А.Е. Лебедев, А.И. Зайцев // Изв. ВУЗов. Химия и химическая технология. - Иваново, 2014. - Т. 57, вып. 9. - с. 104—106.

8. Пат. 2506208 Российская Федерация, МПК В 65 В 1/36. Агрегат для смешения сыпучих материалов / А.И. Зайцев, А.Е. Лебедев, М.Н. Бакин, A.A. Петров, А.Н. Волков. -Опубл. 10.02.2014.

9. Бакин, М.Н. Описание движения смешиваемых сред в продольной плоскости 'арабанно-ленточного устройства / М.Н. Бакин, А.Б. Капранова, А.И. Зайцев // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-27: сб. трудов 27-й Междунар.

ауч. конф. - Т.2. - Тамбов, 2014. - с.33-35.

10. Бакин, М.Н. Влияние влажности сыпучих сред на их распределение в объеме арабанно-ленточного смесителя / М.Н. Бакин, А.Б. Капранова, А.И. Зайцев //

атематические методы в технике и технологиях - ММТТ-27: сб. трудов 27-й Междунар. ауч. конф. -Т.2. - Тамбов, 2014. - с.29-31.

П. Капранова, А.Б. Учет гранулометрического состава сред при описании их мешивания в барабанно-ленточном устройств / А.Б. Капранова, М.Н. Бакин, А.И. Зайцев // атематические методы в технике и технологиях - ММТТ-27: сб. трудов 27-й Междунар. ауч. конф. - Т.2. - Тамбов, 2014. -с.26-28.

12. Капранова, А.Б. Метод расчета коэффициента неоднородности сыпучей смеси в бъеме барабанно-ленточного смесителя / А.Б. Капранова, М.Н. Бакин, А.И. Зайцев //

Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-27: сб. трудов 27-й Междунар. науч. конф. - Т.2. - Тамбов, 2014. -с.31-33.

13. Капранова, А.Б. Моделирование профиля скоростей движения твердых частиц при срыве с гибких элементов смесителя / А.Б. Капранова, М.Н. Бакин, А.Е. Лебедев // Проблемы ресурсо- и энергосберегающих технологий в промышленности и АПК -ПРЭТ-2014 : Материалы Междунар. науч. конф,- Т. 2. - Иваново, 2014. - с. 303-307.

14. Бакин М.Н. Разработка способа смешения склонных к агломерированию сыпучих материалов / М.Н. Бакин, А.Б. Капранова, А.Е. Лебедев // 66-я Регион, науч.-техн. конф. ЯГТУ студентов, магистрантов и аспирантов с международным участием: тез. докл. -Ярославль, 2013. - с. 223.

15. Бакин, М.Н. Состояние проблемы моделирования процесса смешивания сыпучих материалов / М.Н. Бакин, А.Б. Капранова // 66-я Регион, науч.-техн. конф. ЯГТУ студентов, магистрантов и аспирантов с международ, участием: тез. докл. - Ярославль, 2013. - с.22-1.

16. Бакин, М. Н. Математическое описание движения твердых частиц при срыве с гибких элементов смесителя / М.Н. Бакин, А.Б. Капранова, А.И. Зайцев // 67-я Регион, науч.-

ехн. конф. ЯГТУ студентов, магистрантов и аспирантов с международным участием: тез. окл. - Ярославль, 2014. - с.237.

17. Бакин, М.Н. Экспериментальное исследование смешения сыпучих материалов в новом аппарате с подвижной лентой / М.Н. Бакин, А.Б. Капранова, А.Е. Лебедев // 67-я Регион, науч.-техн. конф. ЯГТУ студентов, магистрантов и аспирантов с международным участием: тез. докл. - Ярославль, 2014. - с.236.

Подписано в печать 06.10.2014 г. Печ. л. 1. Заказ 939. Тираж 100. Отпечатано в типографии Ярославского государственного технического университета г. Ярославль, ул. Советская, 14 а, тел. 30-56-63.