Новая конструкция центробежного смесителя для порошкообразных материалов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

|Г -нс:р=і-і

НКК.Х. и |СОСгГОІГ-лсгиче гтпя ре-рроцис-ІЬІЇЇС-Л ІГП ЧІПН-[ійоб^п-

ТЄі г.Нй-

АОДСЛК

ргналь-?ре.л&й-п '-тг:і

Ісмгйй ін^к ;■; за-Ц* ГС: рзакнии ;а-ійь-.Пт:-

І:К;Т= ПР-

Укузул-

ічі/Гґггьі:

чяй. :,б-:,шич^ тазплі-Ч і пп:к-=]-

п ГИ К :1л

іучекии

РЮСВДХ

КЙРТПН-.

[ппрЛЧС”

№.ачх * І іейг:-ІІ' иищр-

ІЬі/кмНЛ ! г Тіоррс-істру У. -І ігЛ-. ТС Г'ІКІЧГЧ

,аялмй с ВЙ%р-

ИС-ЛИЛП-І Гій-Т^й

і- кя|Р Иї-ть 0(5-

I МґіДЙ.И Г(=С гґіГй

) я ура а-(лоцсл

СііІГС' _р> >4. Т '1 ■ІЛНІКТН '.

621.929.002.5

НОВАЯ КОНСТРУКЦИЯ ЦЕНТРОБЕЖНОГО СМЕСИТЕЛЯ ДЛЯ ПОРОШКООБРАЗНЫХ МА ТЕРИАЛОВ

В.Н. ИВАНЕЦ, И.А. БАКИН смесителя над ротором установлен отражатель 4,

Кемеровский технологический институт благодаря которому ^происходит возврат части ком-

пищевой промышленности позиции на рабочий орган (рециркуляция). В ре-

зультате этого повышается накопительная способ-

В пищевой, химической и других отраслях промышленности при производстве комбинированных продуктов питания, композитов и т.п. часто возникает необходимость получения качественных смесей дисперсных материалов при соотношении смешиваемых компонентов 1:100 и выше. Использование при этом непрерывных технологий смесепри-готовления позволяет резко интенсифицировать процесс, обеспечить равномерность загрузки оборудования всей линии, улучшить гигиеническую обстановку и условия труда. Применение смесителей непрерывного действия СНД возможно при условии надежного сглаживания флуктуаций дозирующих устройств, направленной организации материальных потоков в рабочем пространстве аппарата и их турбулизации.

В лаборатории смесительного и дозирующего оборудования КемТИПП на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований разработана новая конструкция центробежного СНД [1]. При создании смесителя реализованы идеи проведения процесса в тонких и разреженных слоях для обеспечения наибольшей поверхности контакта между частицами компонентов, а также организации направленных материальных потоков в аппарате.

Смеситель (рис. 1) представляет собой вертикальный цилиндрический корпус /, внутри которого расположен приводной вал 2 с закрепленным на нем ротором 3. Ротор выполнен в виде концентрично расположенных полых усеченных конусов, закрепленных на плоском основании. Высота конусов увеличивается от центральной части к периферии ротора, а угол наклона их образующей к основанию а уменьшается. Кроме того, в корпусе

ность аппарата, что позволяет использовать в составе смесительного агрегата дозаторы объемного типа, которые имеют невысокую стоимость, более просты в изготовлении и эксплуатации.

Работа смесителя происходит следующим образом. Сыпучие компоненты дозаторами непрерывно подаются в загрузочные патрубки и далее по приемной воронке на внутренний конус вращающегося ротора 3. Под действием центробежных сил частицы материала ускоренно движутся от центра к периферии, распределяясь равномерно по внутренней поверхности конуса, при этом толщина слоя на периферии уменьшается за счет увеличения поверхности распределения частиц. Часть потока смешиваемых материалов движется через окна в конусах, после чего разреженным опережающим потоком попадает на поверхность последующего конуса, имеющего большую высоту и угол наклона образующей к основанию, внедряясь в слой материала прямого потока, сброшенного через верхнее основание конуса. Разреженное состояние частиц способствует лучшему взаимопроникновению компонентов. Пройдя внутренний и средний конусы, смесь поступает на боковую поверхность наружного конуса. Здесь под действием центробежных сил, а также из-за различия физических свойств и массы частиц компоненты смешиваются на его внутренней поверхности и выбрасываются через верхнее основание конуса.

Направленное движение материальных потоков (рециркуляция) в данной конструкции осуществляется благодаря наличию отражателя 4, выполненного в виде диска с объемной спиралью Архимеда. При опускании отражателя подъемным устройством уменьшается зазор между верхним основанием конусов ротора и спиралью. Частицы материала центробежной силой выбрасываются по ходу вращения под острым углом к плоскости верхнего основания конуса и попадают на внутреннюю поверхность отражателя, отбрасываясь под действием сил инерции на средний и внутренний конусы. При этом вследствие различия кинетической энергии частиц смешиваемых материалов, сходи-мых с поверхности конусов ротора, вызванного различными насыпными весами ингредиентов, при встрече с неподвижной спиралью отражателя происходит эффект перераспределения динамических составляющих внутренней структуры матери-алопотока, что приводит к интенсификации процесса смешивания. Степень рецикла зависит от величины зазора между конусами и отражателем, регулируемого с помощью подъемного устройства. Большая часть смеси проходит через зазор между наружным конусом и отражателем и попадает на коническое днище, откуда смесь удаляется через разгрузочный патрубок.

Для аналитического исследования элементарных явлений и выявления функциональных соотношений, описывающих динамику материалопото-ков внутри смесителя, рассмотрена задача расчета

ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. ПИЩЕВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ, N? 1, 2000 Я

Z2<2>,Z2<4>,Z2<6>

х

Рис. 2

траектории и скорости движения частиц на роторе. Движение элементов материалопотоков рассматривалось как движение материальных точек по поверхности конуса и его основания — диска. Дифференциальное уравнение относительного движения материальной точки в векторной форме имеет вид

тп ■

d2r

~d?

= F + Ф + Ф,

(1)

где

ак-

тп, — масса частицы; г — равнодействующая заданных т— ___ тивных сил;

Ф„, Ф( — переносная и кориолисова силы инерции.

Дифференциальные уравнения движения точки в проекциях на декартову систему координат под действием сил тяжести в, трения Р , нормальной силы реакции поверхности Ы:

m ■

-! m

m ■

d2x dt2

df

d2z

dt2

= N + Ф,

(2)

В результате решения (2) в математической системе MathCAD 6.0 PLUS с учетом уравнения связи (поверхности конуса) [ = х2 + у2 — г2 t и совокупности векторов параметров модели движения найдены закон движения частицы и изменение скорости во времени, при этом граничные условия для основания — диска являлись начальными для описания движения по поверхности конуса. На основе расчета модели (рис. 2\ а — объемный вид; б — проекция на основание: горизонтальная (—) и конусная (—-) составляющие) устанавливаются следующие параметры: точка схода, угол вылета и направление вектора скорости частицы, критический угол конусности, при котором начинается движение частицы по поверхности конуса.

Разработанный программный модуль решения системы дифференциальных уравнений и проведенный численный анализ модели позволили сформулировать в широком диапазоне варьируе-

мых параметров рекомендации по определению режимно-конструктивных параметров работы смесителей данного типа с учетом некоторых физикомеханических характеристик перерабатываемых материалов.

Эффективность работы центробежного СНД с направленной организацией материальных потоков в значительной степени зависит от конструктивных особенностей аппарата. Для оценки влияния предложенных нами конструктивных решений на качество приготавливаемых композиций поставлен полный факторный эксперимент. Проводили опыты по приготовлению смесей, состоящих из 90% кварцевого песка (средний диаметр частиц 100 мкм) и 10% ферромагнитного трассера (средний диаметр частиц 80-100 мкм), а также на других сыпучих материалах. В качестве воздействующих факторов принят вектор условных переменных {Xit i = 1,3, характеризующих наличие или отсутствие того или иного конструктивного элемента: Xt — отражатель; Х„ — средний конус; Хг — внутренний конус. Отсутствие названных элементов соответствует нижнему уровню варьирования (-), наличие — верхнему (+). Режимные параметры работы смесителя: частота вращения ротора w = 11,4 с *, производительность спирального дозатора основного компонента = 0,032 кг/с, дозатора ферромагнитного порошка Q2 = = 0,0018 кг/ с. В качестве критерия оценки эффективности работы аппарата принят коэффициент вариации (неоднородности) Vc. Для исследования эффекта действия одного или нескольких качественных факторов на переменную отклика (Ус) были использованы процедуры многофакторного дисперсионного анализа; при этом для описания данных трехфакторного эксперимента применялась аддитивная модель, в которой функция отклика х;/ представлена в виде

хц = ft + + г. + ец\ i = 1 ... п; j = 1 ... k, (3)

где X &■: = 0, X г/ = 0.

;=1 /=1 ;

параметр ft — среднее функции отклика, jiu г. —

отклонения от ft в результате действия факторов.

Итоги дисперсионного анализа, проведенного в статистическом пакете STATGRAPHICS PLUS (таблица), свидетельствуют, что мы должны отвер-

ИЗБЕСЇ гну-ь г

КЇЧССП

ЯпН'ТН

(т

я к .падь: л К<ЖЕ iy<JUJLH J.* П5Э1

V LI pi ні

Неї

1:.}

rif/if", Otff.Uh L .і;-, мы ЛІ

h

.Цій

Г

:i5 П"НС"И ГЛЧ-ПН

ппґіпте. ^ пиЗ

П^ГННД' .L?L l

№ CTtTEс ЛуЧЕЛС

I

!НИЮ

сме-

ІИК0-

гмых

ЇД С пото-грук-ишя->еше-иций Про-стоя-іметр ссера ке на ,ейст-пере-е или і эле-онус; иных арьи-мные іения [раль-0,032

£фЄК-

1ИЄНЇ

їания

ічест-

(V)

рного

ания

меня-

'ТКЛИ-

гнуть гипотезу об отсутствии влияния факторов на качество смеси (V,.), так как значение уровня значимости F-oтнoшeния, равное 0,0491, меньше 0,05 (т.е. для 95% уровня доверия). Наибольший вклад в общую вариацию имеет фактор Ху, т.е. ввод в конструкцию аппарата отражателя, а значение уровня значимости для фактора Хг, равное 0,74, не позволяет сделать вывод о влиянии этого фактора на отклик.

Таблица

Источник вариации Сумма квад- ратов Степени свободы Средние квадра- ты .Р-от- ноше- ние Уро- вень значи- мости

Модель 145,992 3 48,664 6,50 0,0491

Остатки 29,947 4 7,468

Главные эффекты

Х1 112,553 1 112,553 15,03 0,0179

х2 .. 32,502 1 32,502 4,34 0,1056

*3 0,937 1 0,937 0,13 0,7413

Остатки 29,947 4 7,480

Общая вариация 175,939 7

Для проверки результатов дисперсионного анализа и полученных в результате моделирования зависимостей проведено экспериментальное исследование влияния конструктивных параметров работы СНД на качество получаемых композиций. В полнофакторном эксперименте 2 в качестве варьируемых количественных факторов {/*\, /=1,4 приняты: углы конусности малого ^,'(^1) и среднего <р2'(Р2) конусов, град; размеры окон малого 5, (Рг) и среднего 52 (Р4) конусов, мм2. В результате статистической обработки опытных данных получено следующее уравнение множественной ре-

грессии, связывающее отклик — коэффициент вариации Ус и конструктивные параметры работы смесителя:

У = 5,23 + 0,19 + 0,49 Р3 + 0,27 /?4 -

- 0,25 Р1Р3 + 0,76 - 0,93 +

+ 0,6 Р2Иг - 0,78 Р{Р2Рз + 0,42 ^,/^4 +

+ 0,57 Р2Р^1 - 0,21 (4)

Анализ результатов исследования влияния на качество получаемой смеси конструктивных параметров показал, что отдельное воздействие каждого изучаемого параметра соответствует положительной корреляции с откликом, а угол конусности внутреннего конуса не оказывает значимого влияния на отклик. В то же время совместное воздействие факторов соответствует отрицательной корреляции с откликом, а при определенных числовых наборах тройственных воздействий качество смеси может улучшаться и ухудшаться.

Таким образом, разработана оригинальная конструкция центробежного СНД с направленной организацией материальных потоков в рабочем пространстве аппарата, позволяющего получать качественные смеси порошкообразных сыпучих материалов. Интенсификация процесса смешивания достигается благодаря тонкослойному движению материалов по поверхности ротора и использованию явления рециркуляции. Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований позволил сформулировать рекомендации по конструктивному исполнению и определить рациональные параметры работы смесителя.

ЛИТЕРАТУРА

1. Иванец В.Н., Бакин И.А., Федосенков Б.А. Центробежный смеситель: Полож. решение на выдачу пат. РФ от 24.12.98 г. по заявке № 97110628/25 (011153).

Кафедра процессов и аппаратов пищевых производств

Поступила 07.04.99 г. , . ... .