CC BY
29
УДК 621.65
В. Г. МОХНАТКИН, П. Н. СОЛОНЩИКОВ, А. С. ФИЛИНКОВ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ПОЛУЧАЕМЫХ СМЕСЕЙ В УСТАНОВКЕ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ЖИДКИХ КОРМОВЫХ СМЕСЕЙ
Ключевые слова: время приготовления, динамическая вязкость, качество смеси, смесь, стабильность, степень однородности, установка, частота вращения.
Аннотация. В данной статье представлены результаты опытов по определению качества смешивания в установке для приготовления жидких кормовых смесей. На основании проведеннъа исследований получены математические модели, влияющие на процесс смешивания.
Процессы смешивания и растворения растворимых порошкообразных материалов и кристаллических веществ в жидкости широко используются в народном хозяйстве, в том числе в пищевой промышленности и при получении кормовых смесей для кормления животных.
Анализ конструкций устройств для смешивания и растворения позволили выявить следующие основные эксплуатационные и технологические требования: дозирование жидких и сыпучих компонентов, исключение намокания и налипания сыпучих компонентов из-за их раздельного подвода с жидкостью, интенсивное смешивание, совмещение функций смесителя и перекачивающего насоса в одном устройстве, малые габариты [1, с. 22].
Таким устройством является установка состоящая из рабочей камеры 3 (рисунок 1), соединенной с загрузочной камерой 5, внутри которой расположено рабочее колесо. Рабочее колесо выполнено как комбинация открытого колеса на периферии и закрытого колеса в центре, снизу ограниченного основным 9, а сверху - покрывным диском 7. Покрывной диск 7 соединен с расположенной по центру втулкой 6, имеющей спиральную навивку. В покрывном диске и втулке выполнены окна 1, расположенные так, что между каждыми двумя лопатками рабочего колеса последовательно чередуются окна во втулке и покрывающем диске.
© Мохнаткин В. Г., Солонщиков П. Н., Филинков А. С., 2014
122
Жидкость поступает в центр рабочего колеса через питающий патрубок 4 и окна 1 во втулке, а порошкообразный компонент принудительно подается спиральной навивкой через горизонтальные окна в покрывающем диске 7. Компоненты предварительно смешиваются на открытой части колеса, затем при взаимодействии с неподвижными лопатками 8 и далее в кольцевом отводе происходит окончательное смешивание компонентов.
5
б
Рисунок 1 - Схема (а) и общий вид (б) установки для приготовления жидких кормовых смесей
Установка предназначается для работы в составе поточных технологических линий или как самостоятельная машина (в совокупности с резервуаром), работающая по циклическому процессу.
Первоначально находящиеся раздельно жидкость и порошкообразный компонент после равномерного распределения каждого из них в смешиваемом объеме материала образуют однородную смесь.
Для изучения процессов смешивания устройство собиралось с открытым контуром по проточной и циркуляционной схемам (рис.2).
Стенд работает следующим образом (рис. 2). По проточной схеме: перед началом работы краны 4 и 9 закрывают, а краны 3 и 5 открывают. После запуска электродвигателя открывают кран 9 и засыпают в загрузочную камеру порошкообразные компоненты. Полученная смесь поступает в бак 6.
При циркуляции кран 5 закрыт, а 3 и 9 открыты. При открытии крана 4 жидкость начинает двигаться по замкнутому контуру, затем дозировано засыпают сухие компоненты в загрузочную камеру. По прошествии некоторого времени готовую смесь перекачивают в бак 6, закрыв кран 4 и открыв кран 5.
Рисунок 2 - Схема работы установки с открытым контуром:
1 - установка; 2, 7 - термометры; 3, 4, 5, 9 - шаровые краны; 6 - бак с готовой смесью; 8 - бак с жидкостью; 11 - мультиметр БМК-20; 10 - частотный преобразователь; 12 - тахометр.
Был проведен ряд экспериментов по исследованию влияния технологических параметров установки на качество получаемых смесей. Изучали смешивание компонентов по двум режимам: 1-й - при непрерывном внесении компонентов, 2-й - при порционном внесении сыпучих компонентов в жидкость [2, с. 16; 3, с. 51].
На первом этапе производили оценку стабильности полученной смеси. За критерии оптимизации были приняты стабильность к ко-алесценции Тк и полная стабильность Тс.
При непрерывном внесении компонентов факторами выступали частота вращения рабочего колеса п (х]) и динамическая вязкость жидкости л (х2), которая изменялась в зависимости от температуры.
После реализации опытов, расчета коэффициентов регрессии получены следующие математические модели рабочего процесса:
Тк = 142,7-6,10-х1 +10,62-х2 -18,28-х2 -12,015-х1 • х2 -10,05-х2 . (1)
Тс = 21,57 + 6,39 - х1 +15,87 - х2 +1,44 - х? -14,57 - х1 - х2 + 31,7 - х2 . (2)
При порционном внесении сыпучих компонентов в жидкость в качестве факторов были выбраны время приготовления t (х]) и частота вращения рабочего колеса п (х2).
После реализации опытов, расчета коэффициентов регрессии получены следующие математические модели рабочего процесса:
Тк = 70,06 + 5,47 - х1 + 7,64 - х2 + 13,87 - х^ + 19,44 - х2 . (3)
Тс = 46,11 + 0,47 - х1 + 3,88 - х2 -14,17 - х,2 -13,73 - х1 - х2 + 7,46 - х2 . (4)
По моделям (1.. .4) построены двумерные сечения (рис. 3,4).
Анализируя двумерное сечение (рисунок 3, а), можно сделать вывод, что при динамической вязкости жидкости л = 1,002 (Н-с/м2)-10-3 и частоте вращения рабочего колеса п = 1050 мин-1 достигли значения стабильности к коалесценции Тк = 145 ч. По двумерному сечению (рисунок 3, б) наибольшее значение полной стабильности достигается при динамической вязкости жидкости Л = 0,981.1,002 (Н-с/м2)-10-3 и частоте вращения рабочего колеса
п = 750.1750 мин-1, при этом значение стабильности Тс = 56 с.
750 950 1150 1350 п,мин' 1750 750 950 1150 1350 п,мин' 1750
а б
Рисунок 3 - Двумерные сечения поверхностей отклика для стабильности к коалесценции Тк,ч (а) и полной стабильности Тс, с (б) по 1-му режиму
а б
Рисунок 4 - Двумерные сечения поверхностей отклика для стабильности к коалесценции Тк,ч (а) и полной стабильности Тс, с (б) по 2-му режиму
Анализируя двумерное сечение (рисунок 4, а), можно сделать вывод, что при времени приготовления t = 2,2.2,51 мин и частоте вращения рабочего колеса п = 1250.1750 мин-1 максимальное значение стабильности к коалесенции составляет Тк = 90 ч. Полная стабильность (рисунок 4, б) имеет наибольшее значение Тс = 45 с при времени приготовления t = 0,9.2,1 мин и частоте вращения рабочего колеса в пределах п = 1250.1450 мин-1.
Для определения эффективности работы установки как растворителя молочных продуктов использовали экспресс-метод -показатель полноты растворения (ППР).
ППР = Мосадок ~ Мёмкость _ ідо % (5)
М смеси
где Мосадок - масса ёмкости с осадком, кг; Мёмкость - масса ёмкости до проведения испытаний, кг; Мсмеси - масса смеси, прошедшая за время смешивания, кг.
О • ї 3
Мсмеси = •Ю , (6)
3600
где О - подача устройства, т/ч; ї - время прохождения смеси через установку, с.
Исследования проводили по 1-му режиму при тех же факторах, что и при определении стабильности смеси.
После реализации опытов, расчета коэффициентов регрессии получена математическая модель рабочего процесса (ППР) по 1-му режиму:
ППР = 2,1 -1,41 • х, - 0,48 • х, +
2 1 2 2 (7) + 1,82 • х1 + 0,49 • х1 • х2 + 0,27 • х2 .
Математическая модель (7) показывает, что наибольшее влияние на показатель полноты растворения оказывает частота вращения рабочего колеса (Ь1= -1,41).
При порционном внесении сыпучих компонентов в жидкость в качестве факторов были выбраны время приготовления п (х]) и частота вращения рабочего колеса ї (х2) согласно проведенным однофакторным экспериментам.
После реализации опытов, расчета коэффициентов регрессии получены следующие математические модели рабочего процесса по 2-му режиму:
ППР = 2,81 - 0,51 • х^ -1,05 • х2 +
2 1 2 2 (8)
+ 0,59 • х1 + 0,52 • х1 • х2 + 0,80 • х2 .
Математическая модель (8) показывает, что наибольшее влияние на показатель полноты растворения оказывает время приготовления (Ь2 = -1,05).
Анализ математических моделей (7, 8) проводили с помощью двумерных сечений поверхности отклика (рисунок 5).
а б
Рисунок 5 - Двумерные сечения поверхностей отклика для показателя полноты растворения (ППР) по 1-му режиму (а) и по 2-му режиму (б)
Двумерное сечение поверхности отклика (рисунок 5, а) показывает, что при динамической вязкости жидкости, ц = 0,95837.1,002 (Н- с/м2)-10-3 и частоте вращения рабочего колеса п от 1400 до 1650 мин-1 достигли значения ППР = 2,3 %.
При анализе двумерного сечения поверхности отклика (рисунок 5, б) пришли к выводу, что при времени приготовления t = 2,5 мин и частоте вращения п = 1400 мин-1 достигли значения ППР = 2,8 %.
Исследования степени однородности & проводили так же в зависимости от принятых ранее факторов. Для оценки отклонения степени однородности использовали коэффициент вариации V.
Степень однородности, определяли по формуле:
& = (9)
Ф (г - 3) 0,9973
где Ф0 - нормированная функция Лапласа.
В качестве критерия оценки степени однородности использовали коэффициент неоднородности (вариации), выражаемый в %
с
= 100 •-, (10)
X
где с - величина среднего квадратического отклонения контрольного компонента по данным опытов; х - среднее значение контрольного компонента.
После реализации опытов, расчета коэффициентов регрессии получены следующие математические модели рабочего процесса по 1-му режиму:
в = 72,89 - 7,6 • х, + 1,3 • х, + 4,52 • х? +
1 2 , 1 (11)
+ 15,24 • х1 • х? + 3,06 • х? ,
V = 8,58 — 6,92 • хі + 0,88 • х2 +
2 1 2 2 (12)
+ 5,07 • х1 + 6,88 • х1 • х2 + 1,68 • х2 .
Математические модели (11) и (12) показывают, что наибольшее влияние оказывает частота вращения рабочего колеса (Ь1 = -7,6, Ь1 = -6,92).
После реализации опытов по 2-му режиму, после расчета коэффициентов регрессии получены следующие математические модели рабочего процесса:
в = 74,43 — 2,6 • х. + 1,21 • х2 +
1 2 2 (13)
+ 1,22 • х1 • х2 — 3,42 • х2 ,
V = 10,56 + 2,6 • хі —1,21 • х2 —
1 2 2 (И)
—1,22 • х, • х0 + 3,42 • хт.
Математические модели (13) и (14) показывают, что наибольшее влияние на степень однородности и на коэффициент вариации оказывает частота вращения рабочего колеса (Ь1 = -2,6).
По математическим моделям (11.14) построены двумерные сечения поверхностей отклика, представленные на рисунке 6.
Анализируя сечение (рисунок 5, а), приходим к выводу что показатель полноты растворения имеет наиболее выраженный оптимум (ППР = 2,3 %), где частота вращения рабочего колеса п находится в пределах от 1400 до 1650 мин-1 при значении динамической вязкость жидкости ^ = 0,958375.1,002 (Н-с/м2)-10-3. Таким образом, используя условный метод наложения двумерных сечений, получим, что при частоте вращения рабочего колеса п = 1500 мин-1 и динамической вязкости ^ = 1,002 (Н-с/м2)-10-3 показатели качества смешивания будут следующие: стабильность к коалесценции Тк = 133 ч, полная стабильность Тс = 56 с, показатель полноты растворения ППР = 2,3 %, степень однородности & = 76 % и коэффициент вариации V = 12 % (для 1-го режима).
750 950 1150 1350 п, мин'1750 о,5 0,9 1,3 1,7 1, мин 2,5
©------------ V -........
а б
Рисунок 6 - Двумерные сечения поверхностей отклика для степени однородности &, % по 1-му режиму и по 2-му режиму
При порционном смешивании компонентов (2-й режим) при времени приготовления t = 2 мин и частоте вращения рабочего колеса п = 1500 мин-1 показатели качества смешивания будут следующие: стабильность к коалесценции Тк = 87 ч, полная стабильность Тс = 45 с, показатель полноты растворения ППР = 2,8 %, степень однородности & = 73%, коэффициент вариации V = 11,5 %.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мохнаткин В. Г., Филинков А. С., Солонщиков П. Н. Устройство ввода и смешивания сыпучих компонентов с жидкостью // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2012. № 9. С. 22-24.
2. Мохнаткин В. Г. Филинков А. С., Солонщиков П. Н. Исследование процессов смешивания сыпучих компонентов с жидкостью при их порционном внесении // Пермский аграрный вестник. 2013. № 2.
С. 15-20.
3. Солонщиков П. Н. Исследование устройства для приго-товления смесей // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н. И. Вавилова. 2013. № 9. С. 50-53.
EXPERIMENTAL EVALUATION OF QUALITY OF RESULTING MIXTURES IN COOKING EQUIPMENT FOR LIQUID FEED MIXTURES
Keywords: blend , installation , dynamic viscosity, speed , cooking time , mix quality, degree of homogeneity, stability.
Annotation. This article presents the results of experiments to determine the quality of mixing in a plant for making liquid feed mixtures . Based on the studies prepared mathematical models affecting the mixing process.
МОХНАТКИН ВИКТОР ГЕРМАНОВИЧ - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологического и энергетического оборудования, ФГБОУ ВПО Вятская государственная сельскохозяйственная академия, Россия, г. Киров, (mohnatkin@vgsha.info).
MOKHNATKIN VICTOR HERMANOVITCH - doctor of technical sciences , professor, head of the chair of technological and energy equipment , Vyatka State Agricultural Academy, Russia , Kirov , (mohnatkin@vgsha.info).
СОЛОНЩИКОВ ПАВЕЛ НИКОЛАЕВИЧ - ассистент кафедры технологического и энергетического оборудования, ФГБОУ ВПО Вятская государственная сельскохозяйственная академия, Россия, г. Киров, (solon-pavel@yandex.ru).
SOLONSCHIKOV PAVEL NIKOLAEVICH - assistant of the chair of technological and energy equipment , Vyatka State Agricultural Academy, Russia , Kirov , (solon-pavel@yandex.ru).
ФИЛИНКОВ АНДРЕЙ СЕРГЕЕВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры технологического и энергетического оборудования, ФГБОУ ВПО Вятская государственная
сельскохозяйственная академия, Россия, г. Киров, (filin-a@yandex.ru).
FILINKOV ANDREW SERGEEVICH - candidate of technical sciences, docent of the chair of technology and energy equipment,
Vyatka State Agricultural Academy, Russia, Kirov, (filin-a@yandex.ru).
