CC BY
52
into dissolvent, providing the way to work out the unit cycle time in multistage extraction and the overall number of cycles for the specified degree of BAS extraction.
Key words: extraction, liquefied carbon dioxide, multistage extraction, mathematical model.
621.929 + 664
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕД В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
В.Г. НЕКРУТОВ
Южно-Уральский государственный университет, филиале г. Усть-Катаве,
456040, г. Усть-Катае, ул. Центральная, 38; тел./факс: (35167) 264-04, электронная почта: neckrutov@mail.ru
Предложены методы интенсификации процесса перемешивания жидких технологических сред в пищевой промышленности за счет введения в зону перемешивания вибровозбудителей, основанных на принципах мягкого возбуждения колебаний. Вибровозбудители позволяют существенно повысить эффективность процесса перемешивания за счет одновременной реализации ряда физических эффектов. Произведено компьютерное моделирование процесса перемешивания, подтверждающее экспериментальные исследования.
Ключевые слова: смеситель, виброструйный эффект, турбулентный режим, инерционный роторный вибровозбудитель.
С целью совершенствования оборудования и процесса перемешивания маловязких пищевых продуктов предлагается непосредственно в зону перемешивания ввести роторные инерционные вибровозбудители, разработанные в ЮУрГУ, которые реализуют принципиально новый способ возбуждения колебаний [1].
В основу способа положено отсутствие собственной устойчивости вращающегося диска по неподвижному контртелу [2]. Суть этого явления такова. Сначала диск трения, прижатый осевой силой Рос к неподвижному контртелу, находится в состоянии покоя, т. е. в данном случае эта открытая система не получает энергию извне. Если же диску сообщить энергию в виде вращения, то при этом практически мгновенно возникает его смещение из-за действия неуравновешенной тангенциальной силы, в результате диск начинает совершать радиальные автоколебания с частотой значительно превышающей частоту его вращения. Исследования на устойчивость системы дифференциальных уравнений, описывающих данное движение, показало, что все тривиальные решения этой системы неустойчивы, т. е. должно наблюдаться так называемое мягкое возбуждение автоколебаний. Это явление можно истолковать как проявление принципа минимальной диссипации (рассеяния энергии) в трактовке И.Р. Приго-жина и Н.Н. Моисеева [3].
Теоретически в программной среде АшуБ ЬБ-Бупа и экспериментально было показано [2], что эта неуста-новившаяся нестационарная часть траектории центра вращающегося диска представляет собой экспоненциально разворачивающуюся спираль. При спонтанном нарушении симметрии, происходящем в связи с отсутствием собственной устойчивости, возникает неголо-номная связь диска и контртела, т. е. диск катится практически без проскальзывания по поверхности контакта. В случае такого планетарного движения между диском и контртелом действует трение качения и рассеивается значительно меньшее количество энергии в виде тепла, т. е. диссипация минимальна. Следовательно,
процесс планетарного движения предпочтительнее с точки зрения минимальной диссипации, а возникновение поперечных автоколебаний естественно и неизбежно.
Принято считать, что при переходе системы от состояния с максимальной диссипацией к состоянию с минимальной диссипацией, как к более упорядоченному, должен существовать некий порог. В рассмотренной системе такого порога обнаружить не удается: возбуждение автоколебаний всегда мягкое. В этом способе при незначительных частотах вращения стабильно получают в сотни раз превышающие частоты круговых колебаний. При этом, варьируя значительным количеством исходных параметров, регулируют и даже авто-регулируют частоту и амплитуду этих колебаний в широком диапазоне, независимо от величины сил сопротивления технологической среды.
В результате теоретических исследований были разработаны расчетные схемы процесса возбуждения радиальных колебаний в роторных инерционных системах, дальнейшее изучение которых позволило вывести математическую модель, адекватно отражающую поведение системы. Модель учитывает влияние на частоту ю и амплитуду р радиальных колебаний частоты вращения диска ювр, силы прижатия диска к контртелу Рос и геометрических параметров диска.
PQC f PQ2 f j
2lm Bp ^ 2l2m2 2p m
D
(1)
(2)
где Рос - величина осевой тарированной силы прижима вращаемого тела (ротора) к контртелу; т - приведенная масса вращаемого тела; I -вылет вращаемого тела; у - жесткость ротора; Э - диаметр вращаемого тела в зоне его сопряжения с контртелом.
Использование данного роторного инерционного вибровозбудителя позволяет одновременно реализовать несколько физических эффектов [4]: псевдоожи-
2
Рис. 1
жения жидкой технологической среды (турбулентность), активного перемешивания жидкости (виброст-руйный эффект), эффект вибрационного поддержания вращения ротора машины (эффект хулахупа).
Интенсивность процесса перемешивания существенным образом зависит от ускорения дисков, закрепленных на роторе. При относительно небольшом ускорении перемешивание носит спокойный характер. При оптимальном ускорении возникают интенсивные потоки, носящие ярко выраженный характер турбулентного перемешивания. Величину и направление турбулентных струй можно изменять в зависимости от параметров вибрации, конфигурации дисков и вида их перфорации.
Для проверки условий возникновения эффектов была разработана экспериментальная установка (рис. 1), в которой эффект псевдоожижения жидкости определяется турбулентностью, зависящей от числа Рейнольдса, на которое, в свою очередь, влияет окружная скорость вращения ротора V, м/с, частота колебаний дисков ю, с-1, радиус диска Я, м, и кинематическая вязкость жидкого продукта V, м2/с:
и VR
Яе = —,
V
(3)
где V = юЯ.
Рис. 2
Радиально-осевые колебания конических перфорированных дисков, закрепленных на роторе, при своей максимальной амплитуде создают виброструйный эффект, т. е. скорость движения многочисленных затопленных струй жидкости на выходе из сужающихся конических отверстий увеличивается, что позволяет интенсифицировать процесс. Вместе с тем, вибрирующая жидкость помогает вращению ротора вибровозбудителя (как бы раскручивает его), это значит, что для вращения ротора требуется гораздо меньшая мощность привода.
Эффективность процесса перемешивания оценивается коэффициентом неоднородности смеси кс [4]:
к c = 100
(100/ сЛ Е c - Сср )2А"-1)’ (4)
где Ос - среднее квадратическое отклонение содержания основного компонента, %; Сср- средняя массовая доля основного компонента в смеси, %; с - массовая доля основного компонента в /-пробе, %; п -число проб.
Чем меньше кс, тем равномернее смесь, что характеризует эффективность работы смесителей, при кс < 10% эффективность смеси считается хорошей.
Для определения условий, при которых возможно возникновение всех трех эффектов, рассмотренных выше, было выполнено компьютерное моделирование процесса перемешивания компонентов, а именно, разработана система автоматизированного расчета параметров смесителя. Вся система была реализована в виде программы, написанной на языке БЕЬРШ, который относится к языкам высокого уровня. В основе программы лежат зависимости (1)-(4), полученные теоретически и подтвержденные экспериментально. Интерфейсы расчетов представлены на рис. 2.
Всю программу условно можно разделить на 3 модуля: ввод исходных данных и расчет технологических параметров (рис. 2, а); вывод результатов и формирование печати (рис. 2, б); построение графиков зависимостей виброструйного эффекта, турбулентности и мощности от переменных параметров (рис. 2, в).
С помощью программы можно не только осуществлять разработку смесителя, но и определять технологические параметры, при которых работа смесителя будет более эффективной.
Для наглядности процесса перемешивания были проведены натурные экспериментальные исследования. Это позволило визуально увидеть наличие или отсутствие эффектов. Результаты проведенных экспериментов подтвердили компьютерные расчеты.
Таким образом, применение принципиально нового способа мягкого возбуждения колебаний, реализованного в роторном инерционном виброприводе, позволяет получить ряд физических эффектов. Одновременная их реализация позволяет усовершенствовать оборудование для гидромеханического перемешивания, следовательно, повысить производительность и улучшить качество готового продукта за счет обеспечения однородности его структуры. Поэтому при настройке установки необходимо выбрать такие частоту и амплитуду колебаний ротора с дисками смесителя, в зависимости от свойств перемешиваемого продукта, при которых будут иметь место все три эффекта. Это позволит интенсифицировать технологический процесс и одновременно повысить качественные показатели при получении конечного продукта.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (конкурс «Урал», проект № 07-01-96-052) на 2007-2008 гг. и Всероссийской программы «Старт 07» (проект №7319) в Уральском регионе.
ЛИТЕРАТУРА
1. А.с. 1664412. Способ возбуждения круговых колебаний и устройство для его осуществления / С.Г. Лакирев, Я.М. Хилькевич, С.В. Сергеев // БИ. - 1991. - № 27.
2. Сергеев С.В. Повышение эффективности вибрационные процессов при обработке различных материалов: Монография. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2004. - 262 с.
3. Пригожин И.Р. Порядок из хаоса. - М.: Эдиториал УРСС, 2001. - 312 с.
4. Блехман И.И. Вибрационная механика. - М.: Физмат-лит, 1994. - 400 с.
Поступила 15.12.10 г.
COMPUTER MODELLING OF MIXING PROCESSES OF TECHNOLOGICAL MEDIUMS
IN FOOD INDUSTRY
n
c
c
= 1
V.G. NEKRUTOV
South-Urals State University Branch in Ust-Katav,
38, Tsentralnaya st., Ust-Katav, 456040; ph./fax: (35167) 264-04, e-mail: neckrutov@mail.ru
Some methods of intensification of mixing processes of liquid technological mediums in food industry by inserting vibro-exciters, based on principles of soft vibro-excitement are suggested. Vibro-exciters are able to intensify greatly the mixing processes thanks to some simultaneous physical effects. The computer modelling of mixing processes confirming the experimental investigations is made.
Key words: mixer, vibro-stream effect, turbulent regime, rotary-inertial vibro-exciter.
