Разработка и исследование новых конструкций смесителей непрерывного действия центробежного типа для получения комбинированных продуктов

Актуальность проблемы. В настоящее время все большей популярностью пользуются продукты, обогащенные различными минеральными и биологическими добавками, витаминами и другими компонентами. Как правило, к ним относятся многокомпонентные смеси, находящиеся в порошкообразном или мелкозернистом состоянии. Их качество во многом зависит от условий проведения процесса смешивания. Поэтому одной из главных проблем является равномерное распределение вносимых в малых количествах различных добавок, во всем объеме смеси. В настоящее время на предприятиях для достижения удовлетворительного качества конечного продукта в составе смесительного агрегата используют параллельное соединение двух и более аппаратов различного типа, что значительно увеличивает его себестоимость. В процессе смесеприготовления рационально использовать смесители непрерывного действия (СНД) центробежного типа, позволяющие получить качественные смеси с данным соотношением компонентов.

На сегодняшней день в различных учреждениях разработано множество конструкций СНД, однако не все аппараты обеспечивают удовлетворительное качество смеси — вследствие малой сглаживающей способностикроме того, для материалов, имеющих большую разницу в удельном весе, возможно явление сегрегации. Поэтому разработка эффективных смесительных агрегатов центробежного типа, обладающих большей сглаживающей способностью за счет организации направленного движения потоков материала, для получения витаминизированной муки и других комбинированных продуктов с большой разницей содержания смешиваемых компонентов является актуальной научной задачей, представляющей большой практический интерес для пищевой промышленности и ряда других отраслей.

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», на проведение исследований выделены гранты: ФГБОУ ВПО «Кемеровский институт пищевой промышленности» «Разработка и исследование смесительного агрегата центробежного типа производительностью 400 кг/час для производства витаминизированной и йодированной муки» (2012 г., грантодержатель — A.A. Андрюшков) — Грант Губернатора Кемеровской области для поддержки молодых ученых — кандидатов наук в номинации наук, относящихся к аграрно-промышленному комплексу (2007 г., грантодержательД.М. Бородулин).

Цель работы. Интенсификация процесса смешивания в новых конструкциях центробежных смесителей для получения сухих комбинированных продуктов с заданным соотношением смешиваемых компонентов на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований.

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

— теоретическое и экспериментальное обоснование новых конструкций СНД центробежного типа для обогащения различных сыпучих композиций витаминами, минералами и микроэлементами;

— математическое описание процесса смешивания в центробежных смесительных агрегатах с применением корреляционного анализа и кибернетического подхода и элементов теории автоматического управления;

— исследование новых конструкций СНД центробежного типа с целью нахождения их рациональных конструктивных и технологических параметров работы, обеспечивающих стабильность качества готовой продукции;

— проведение частотно-временного анализа смесительного агрегата центробежного типа. Проверка на адекватность математических моделей;

— разработать инженерную методику расчета СНД центробежного типа;

— проведение опытно-промышленных испытаний новых конструкции СНД центробежного типа в составе технологических схем получения витаминизированной муки и сухих строительных смесей.

Научная новизна. Созданы математические модели непрерывно действующих смесительных агрегатов центробежного типа, дающие возможность проанализировать получение смесей требуемого качества учитывая их инерционные свойства. Проведен корреляционный анализ влияния топологии материальных потоков на однородность смеси в СНД центробежного типана основе программы «МшИСАй» предложен алгоритм расчета численных значений сглаживающей способности и передаточных функций динамических и конструктивных параметров смесителя, а также воздействие входных потоков, влияющих со стороны дозирующих устройств. Получены рациональные конструкционные и технологические параметры СНД, обеспечивающие получение смесей хорошего качества. Рассчитаны уравнения регрессии, адекватно описывающие экспериментальные данные.

Практическая значимость и реализация. В результате теоретического и экспериментального исследования процесса смешивания и дозирования материалов разработаны три новые конструкции смесителей непрерывного действия центробежного типа с организацией направленного движения в них материальных потоков, техническая новизна СНД защищена двумя патентами РФ. Разработано аппаратурное оформление технологической линии непрерывного смешивания, включающей в свой состав центробежный СНД новой конструкции. Проведены успешные опытно-промышленные испытания: на ООО «Мастер-продукт» (г. Новокузнецк) в технологии производства витаминизированной муки для хлебобулочных изделийЗАО «Профикс-Кузбасс» (г. Кемерово) в технологии производства сухой строительной штукатурной смеси М100. Результаты диссертационной работы используется в учебном процессе на кафедре процессов и аппаратов пищевых производств ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности» при подготовке бакалавров и магистров по направлению 150 400 «Технологические машины и оборудование».

На защиту выносятся: математическое описание процесса непрерывного смешивания в СНД центробежного типа при различной организации движения материальных потоков в них, на основе корреляционного анализаматематическая модель непрерывно действующего смесительного агрегата, разработанная с использованием кибернетического подхода и элементов теории автоматического управления, позволяющая выбрать целесообразные параметры работы смесителей центробежного типа и дозирующих устройстврезультаты экспериментальных исследований процесса смешивания дисперсных материалов в новых конструкциях СНД центробежного типа и методики их инженерного расчёта и смесительного агрегата в целом.

Объектом исследования являлись новые конструкции высокоэффективных СНД центробежного типа для обогащения муки витаминами, минералами и микроэлементами.

Предметом исследования являлось установление закономерностей, описывающих работу СНД при рациональных режимных и конструктивных параметрах, влияющих на качество получаемых смесей.

Апробация работы. Основные положения, изложенные в диссертационной работе, были представлены и обсуждены: на всероссийских и международных научных конференциях (2009;2013 гг.) (Новый этап развития пищевых производств: инновации, технологии, оборудование. Материалы Всероссийской научно-практической конференции. Екатеринбург, 2009; Инструментальные методы для исследования живых систем в пищевых производствах. Материалы Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи. Кемерово, 2009; Пищевые продукты и здоровье человека. II Всероссийская конференция аспирантов и студентов. Кемерово, 2009; V Международная студенческая электронная научная конференция «Студенческий научный форум». Москва, 2013).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, из которых 5 в журналах, рекомендованных ВАКом, получено два патента.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка литературы и приложенийвключает 56 рисунков, 28 таблицы. Основной текст изложен на 148 страницах машинописного текста, приложения — на 60 страницах.

Список литературы

включает 103 наименования.

Результаты исследования сглаживающей способности смесителя сопоставили с их расчетными значениями, полученными по разработанной математической модели, представленной в п. 2.2. Полный расчет параметров математической модели для исследуемых смесей представлен в приложении 4. Затем оценили абсолютную погрешность теоретических и экспериментальных данных. Полученные результаты представлены в таблице 4.18.

Проведено сравнение экспериментальных данных сглаживающей способности СНД при импульсном возмущающем сигнале, накладываемом на поток материала входящий в смеситель, с теоретическими значениями среднего времени пребывания. Средняя погрешность экспериментальных данных по отношению к расчётным не превысила ± 10% и составила 6,42%. Следовательно, полученная модель Адекватно описывает экспериментальные данные.

Частота вращения ротора, п, с" 1 Сглаживающая способность, полученная с помощью расчета математической модели, Сглаживающая способность, полученная экспериментальным путем, 8э Погрешность, Л, %.

Смесь сахар — пшено.

10 165,48 159,98 3,32.

12,5 187,25 199,34 6,45.

15 233,44 239,96 2,79.

Смесь мука в/с — йодид калия.

10 322,61 341,32 5,79.

12,5 281,91 307,32 9,01.

15 93,88 100,18 6,71.

Смесь соль — крупа манная.

10 232,68 211,68 9,02.

12,5 338,5 315,61 6,76.

15 376,22 354,21 5,85.

Смесь речной песок — зерромагнитный порошок.

10 166,82 178,96 7,27.

12,5 129,75 118,52 8,65.

15 162,84 153,93 5,47.

4.4.5. МЕТОДИКА РАСЧЕТА СНД ЦЕНТРОБЕЖНОГО ТИПА.

Анализ результатов экспериментальных исследований смесительного агрегата на базе центробежного СНД, конструкция которого разработана при непосредственном участии автора, показал, что он обеспечивает качественное смешивание дисперсных материалов. Методика расчета конструктивных и режимных параметров СНД и дозировочного оборудования основывается на условиях создания тонкослойного движения сыпучих материалов внутри смесителя и обеспечения надежного сглаживания погрешностей работы дозировочного оборудования [49].

1. На первом этапе определяются конструктивные и режимные параметры центробежного СНД. Сначала для каждого конуса выбираем угол конусности у, в диапазоне у = 70°-120°, при этом меньшие значения рекомендуется брать для конусов большего диаметра.

2. По известным значениям ур используя результаты исследований, принимаем частоту вращения ротора в диапазоне п = 8+12 с'1, учитывая, что при переработке плохосыпучих материалов необходимо выбирать большее значение.

3. На основе корреляционного анализа, определяем рациональные значения коэффициентов опережающих потоков, а и рециркуляции материала /? в рабочем объёме аппарата, которые находятся в диапазоне 0,2+0,5 и 0,05+0,2 соответственно.

4. По известным коэффициентам перераспределения материала, поступающего на ротор смесителя, рассчитываем объемную производительность у-го конуса <2Р м3/с:

Для трех конусного ротора при <2/= ¼, <22=1/3, производительность равна:

4−25).

Ц = 0/(71-б, — усш), м.

4−26) где 3, — толщина слоя материала при его сходе с верхней кромки у-го конуса (целесообразно принять <^=0,0005−0,0015 м) >ср] - средняя скорость движения материала поу'-го конусу.

6. По принятой частоте вращения ротора п и известным углам конусности оцениваем среднюю скорость движения уср] (м/с) материалов по поверхности каждого конуса вдоль его образующей, используя уравнение регрессии: уСЛ/ = - 0,028 + + ^ +. (4−27) и 119 2500 5000.

7. Длину образующей каждого конуса рекомендуется выбирать в пределах 1} - (0,3. 0,4)-!),. При этом точное значение /7, м определяем из компоновочного чертежа ротора смесителя.

8. По требуемому коэффициенту неоднородности Ус, % и известным п и, а определяется расстояние между конусами И, мм по выражению:

1Ус + 0.38х п2 +0.011а2 (4−28) л' 0.8 где, а — угол наклона конусов, принимаем в диапазоне 40-ь50 град.

9. Диаметр обечайки смесителя Д, б, м должен быть больше диаметра внешнего конуса на 15−25%.

Ооб = Овнеш. кон х (1,15−1,25). (4−29).

Н = 1]махх (1,3+1,45).

4−30).

Максимальное значение берется в случае, если у СНД установлены разгрузочные лопасти.

11. При наличии у СНД разгрузочных лопастей, их окружную скорость вращения определяем по выражению: где Д, — диаметр лопастей, который рекомендуется принять равным диаметру внешнего конуса ротора, м.

Желательно, чтобы значение ул было больше 5 м/с, поскольку в этом случае гарантируется псевдоожиженное состояние смеси, находящейся на днище смесителя. С другой стороны значение < 10 м/с, для предотвращения неоправданно больших удельных энергозатрат. Поэтому, если условие 5<ул<10 м/с не выполняется, целесообразно провести повторный расчет, выбрав другую частоту вращения ротора.

12. При наличии у центробежного смесителя диспергирующих ножей, степень измельчения определяем по регрессионному уравнению: ул = п-%-Т>л, м/с ,.

4−31) о=0,0082хп2−0,1439хп+1,62,.

4−32) где <30ис1- средние размеры частиц до и после диспергирования, мкм.

13. Удельные энергозатраты трех конусного ЦС рассчитываем по.

Эу = 0,0004><�п3+0.017хп2+0.183хп+0.724, Вт-ч/кг. (4−33).

14. Для определения параметров математической модели СНД необходимо оценить среднее время пребывания материала на каждом конусе по формуле:

Д^ = 1/уср> м/с. (4−34).

Среднее время нахождения материала на днище смесителя рекомендуется принять равным Atдн=4+<&с (меньшее значение для большей величины ул).

15. Исходя из того, что качество смеси зависит, главным образом, от равномерности распределения ключевого компонента по ее объему, и полагая, что последний будет подаваться в смеситель порционным дозатором, определяем частоту подачи порций (на основании полученной нами регрессионной модели процесса смешивания). 6,36 + 1,32/Скк-0,13−1вн-Ус^ш^ (435).

0,02 где Скж, — объемная концентрация ключевого компонента смеси, % /внкоэффициент внутреннего трения основного компонента смеси (при отсутствии конкретных данных можно принять/вн в диапазоне 0,65−0,7).

Расчетное значение ./V целесообразно увеличить на 25−30%.

16. Определяем объем порции ключевого компонента, выдаваемой порционным дозатором за один период:

Упорц = (З-бо-с^АЖюо — Ск.к.)), м3,.

4−36).

Если объем порции Упорц строго фиксирован, то полученное выражение следует преобразовать для определения частоты их подачи И, и сравнить его с рассчитанным ранее. Если расхождение составит не более 15−20% в меньшую сторону, то расчет можно считать удовлетворительным.

17. Среднюю объемную производительность по каждому компоненту рассчитываем по выражению: <�№./(100 — СО, м3/с, (4−37) где С, — объемная концентрация г-го компонента смеси, %.

18. Сглаживающая способность смесителя для смеси мука в/с — йод рассчитываем по формуле:

Б (со) = -43,76п2 + 1114,2п — 5866 (4−38).

Результаты и выводы по главе.

1. В одноконусных ЦС изучено влияние на процесс смешивания различных режимных, технологических и конструктивных параметров, позволяющих организовать направленное движение опережающих потоков и турбулизацию смеси внутри ротора, в результате чего качество конечного продукта повышается в два раза по отношению к базовым смесителям.

2. Теоретический и экспериментальный анализ позволил определить рациональные конструктивные параметры работы СНД с углообразными турбулизаторами для получения качественных смесей мелкозернистых и дисперсных материалов: а) количество углообразных направляющих в роторе СНД — 8−12 шт.- б) частота вращения рабочего органа — 850 об/минв) концентрация ключевого компонента не более 1:100. Получены регрессионные модели процесса смешивания (для различных смесей), которые достаточно адекватно описывают результаты экспериментов.

3. Целесообразно организовать направленное движение материальных потоков с использованием разделяющего креста и рециркуляции, позволяющих сглаживать их флуктуации. Найдены рациональные конструктивные и режимные параметры работы этого СНД: а) частота вращения ротора 750 ч- 1000 об/мин.- б) размещение отражателя на высоте h = 14 см., позволяющие получать смеси со значениями Vc в пределах 4 +7% во всем диапазоне исследований.

4. На основе кибернетического подхода проведено согласование частотных режимов работы дозаторов и СНД, при получении качественных смесей с соотношением смешиваемых компонентов 1:100. Определены сглаживающие способности смесителя по частотному и временному методам. Центробежный СНД сглаживает пульсации входных материальных потоков в диапазоне от 10 до 380 раз. Расхождение результатов временного и частотного анализов, при получении смеси мука в/с — йодид калия на частоте вращения ротора СНД, равной 15 с1, составило 8,1%. Таким образом, использование этих методов анализа является вполне правомерным.

5. Реализация математической модели С, А (включающей в свой состав СНД и дозаторы объёмного типа) показала, что лучшая сглаживающая способность смесителя достигается при смешении компонентов имеющих схожие физико-механические характеристики при частоте вращения ротора равной 15 с ', а для смесей, компоненты которых могут переходить в пылевоздушные потоки 10 с" .

6. Проведено сравнение экспериментальных данных сглаживающей способности СНД при импульсном возмущающем сигнале, накладываемом на поток материала входящий в смеситель, с теоретическими значениями среднего времени пребывания, которое показала, что средняя погрешность опытных точек от расчетных составила 6,42%. Следовательно, полученная модель адекватно описывает экспериментальные данные.

5.1. АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВА ВИТАМИНИЗИРОВАННОЙ МУКИ ДЛЯ ХЛЕБОБУЛОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ.

Для нормального функционирования организму человека жизненно необходимы продукты, представляющие высокую энергетическую ценность, и содержащие витамины и минералы. Только комплексный (своевременный) прием пищи может поддерживать человека в хорошей форме и укреплять его иммунитет. В настоящее время в организации комплексного и сбалансированного питания заинтересованно все большее количество людей Сибирского региона. Современный ритм жизни зачастую не позволяет им правильно питаться, что ведет к нехватки витаминов и минералов в организме. В связи с тем, что хлебобулочные изделия являются неотъемлемой частью любого приема пищи их ассортимент постоянно пополняется новыми, обогащенными биологическими добавками и микроэлементами.

Получение таких продуктов связано с определенными техническими трудностями. Например, на одной из ключевых стадий производства хлебобулочных изделий, такой как смешение сухих ингредиентов, не на всех смесительных аппаратах удается достичь заданного качества конечной смеси. На производстве зачастую используют параллельное соединение смесителей, вследствие чего увеличивается металои энергоемкость. Поэтому разработка соответствующих рецептур мучных изделий и их аппаратурного оформления является актуальным.

Целью данных исследований являлась оценка эффективности использования нового СНД [93] центробежного типа для приготовления витаминизированной муки. В нём процесс смешивания основан на принципе создания структуры направленного движения материальных потоков во всем объеме аппарата, за счёт использования различного вида рециклов и опережающих потоков.

На данной конструкции ЦС [25], укомплектованной дозаторами объемного типа, проводился ряд экспериментов по получению опытных партий витаминизированной муки, состав которой приведен в таблице 5.1. Соотношение смешиваемых компонентов 0,5:100 при производительности СНД 400 кг/ч, и частоте вращения ротора п= 12.5 с" 1.