CC BY
13
УДК 631.363:636.085.55 DOI 10.51794/27132064-2021-3-48
ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ СФЕРИЧЕСКОГО СМЕСИТЕЛЯ
А.Д. Обухов, аспирант
ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева
E-mail: A.D.Obukhov@yandex.ru
Аннотация. Лечение и профилактика заболевания животных и птицы, а также поддержание их здорового состояния и высокой продуктивности осуществляется путем своевременного скармливания лечебных комбикормов из общих кормушек. Для этого требуется высокая однородность смеси. Выделены ключевые показатели оптимального конвективного и диффузионного способов смешивания и расчета оптимальных параметров рабочих органов смесителей со сферической камерой. Обосновано утверждение, что основополагающим параметром процесса смешивания является оптимальная скорость концов лопастей (Ураб), при которой достигается высокая однородность смеси (до 95%). Установлено, что оптимальная окружная скорость концов лопастей 7раб. = (1,2 ... 1,4)VKV., где - критическая скорость концов лопастей, при которой смесь переходит в псевдоожиженное состояние. Предложена установка для приготовления лечебных комбикормов. Установка включает в себя лабораторную мельницу для первичных премиксов и сообщающийся с ней измельчитель-смеситель для вторичных премиксов, который выполнен в виде шарового корпуса, в нем установлен сферический экран, а в нижней части - рабочий диск с насечкой по спирали Архимеда. Принято, что рабочая скорость концов лопастей смесителя (Vpa6)) определяется по скорости витания основного компонента наполнителя с учетом поправочного коэффициента и равняется 7раб. = (1,2 ... 1,4)Увш.- Более высокая однородность смеси обеспечивается интеграцией конвективного и диффузионного способа смешивания в одной установке.
Ключевые слова: однородность смеси, рабочая скорость частиц, скорость витания, шаровой смеситель.
Введение. Исследование этой темы востребовано тем, что большая численность поголовья на крупных животноводческих и птицеводческих предприятиях затрудняет выявление и лечение заболевших особей, продуктивность которых в два раза ниже, чем у здоровых. Поэтому лечебные препараты, витаминные и минеральные добавки вводят в состав комбикормов.
Таким образом осуществляется профилактика заболевания животных и поддерживаются здоровое состояние и стабильная продуктивность. При этом требуется высокая однородность смеси, которая достигается применением оптимальных конструкций рабочих органов способов смешивания и режимов работы смесителей.
Цель - обосновать ключевые показатели для определения оптимальных режимов смешивания и расчета геометрических параметров рабочих органов лопастных смесителей со сферической камерой при производстве высокооднородных лечебных комбикормов.
Материалы и методы. Главная задача -получить высокооднородную смесь разнородных по физико-механическим свойствам компонентов (таблица 1).
Таблица 1. Физические показатели ингредиентов _в составе комбикормов [1,с.101]
Компонент комбикорма Размер частиц, мм Объемный вес, кг/м3 Угол естественного откоса, град. Влажность, % Удельный вес, г/см3
Ячмень 1,10 490 39 13,8 1,27
Горох 0,99 770 39 13,3 1,47
Овес 1,20 400 47 13,2 1,38
Отруби 0,94 330 39 11,3 1,1
Комбикорм 1,10 600 39 12,1 -
Пшеница 1,15 580 37,5 12,3 1,4
Кукуруза 1,11 520 41 13,1 1,38
Шрот подсолнеч. 0,95 560 37 9,0 1,35
Соль поваренная 0,35 970 35 1,0 2,16
Рыбная мука 0,72 560 42 9,0 -
Мясокостная мука 1,07 470 45 7,0 -
Манная крупа 0,35 680 35 5,5 1,4
Пшеничная крупа 1,5 680 33 4,8 1,4
Соя 1,1 780 38 13,2 1,49
Рапс 1,0 790 35 12,1 1,51
В нашей стране и за рубежом выполнен большой объем теоретических и экспериментальных исследований, однако проблема остается актуальной в связи с производством высокооднородных лечебных комбикормов, витаминных и минеральных премиксов, с созданием новых сверхпрочных и сверхлегких конструкционных материалов, эффективных видов лекарств и лечебных препаратов и т. д. Следует отметить, что расчеты процессов смешивания некоторых теоретических исследований сложные и трудоемкие, но не дают достаточно точного результата. Например, по итогам многих обширных исследований предложена расчетая формула определения мощности, необходимой для привода лопастного рабочего органа смесителей [1]:
N = ^ • • ¿33 • Ь0 38 • 5°.16 • Я0 8 •
(1)
10-3, кВт
псевдоожиженное состояние. Критическая скорость псевдоожижения 1<Кр. корреспондируется со скоростью витания каждого компонента в отдельности, которая определяется следующим образом (таблица 2).
Таблица 2. Скорость витания материалов
Наименование материала Скорость витания, м/с
Горох шлифованный 14,7-15,5
Крахмал 1,5-1,8
Крупа манная 3,2-4,5
Комбикорм мелкий сухой 3,5-3,9
Просо 8,2-9,5
Соль мелкая (до 1 мм) 9,8-12
где К - коэффициент сопротивления (находится в пределах 2,7-3,0); ю - угловая скорость лопасти, с-1; Ь - длина лопасти, м; Ь - ширина лопасти, м; £ - зазор между концом лопасти и стенкой корпуса, м; H - высота слоя, м; уоб. - объемный вес среды, кг/м3; С - коэффициент сыпучести материала.
Все составляющие формулы (1) получены в результате многократных опытов, при которых были допущения, усреднения и обобщения. В результате сложных вычислений расчет получается далеко не точный, но дает ориентир, а оптимальные параметры для конкретного состава смеси уточняются опытным путем [2]. При этом важным основополагающим параметром является окружная скорость концов лопастей Урад. С увеличением частоты вращения лопастей достигается оптимальное число оборотов в минуту, при котором распределение компонентов оказывается наиболее равномерным. Опытом установлено [1, 2], что окружная скорость лопастей Урад., соответствующая оптимальным условиям смесеобразования, равна
Краб = (1,2-1,4) V м/с, (2)
где ^Кр. - критическая скорость псевдоожижения, т. е. окружная скорость концов лопастей, при которой слой переходит в
В сферической камере конвективное смешивание осуществляется при турбулентном движении воздушного потока. Сила сопротивления каждой частицы зависит от давления динамического воздушного потока и определяется по формуле Ньютона:
Д = С^ , (3)
где С - коэффициент аэродинамического сопротивления; F - миделево сечение - площадь проекции частицы на плоскость, нормальную к вектору ее скорости, м2; р - плотность воздуха, кг/м3; V - скорость потока воздуха, м/с.
Коэффициент С является функцией критерия Рейнольдса ^е), его значение зависит от формы частицы, состояния ее поверхности и режима потока воздуха, обтекающего ее. Как известно, характерны три области зависимости коэффициента С [3, 4].
1. При значениях Яв = 0,1.. .1,0
24
С = -4; (4)
Ке' 4 '
Яв = —, где (5)
^ - диаметр частицы, мм; и - коэффициент кинематической вязкости воздуха.
Область относится к пылинкам диаметром 0,1 мм.
2. При значениях Яв = 10.1000 зависимость коэффициента С от Яв выражается формулой:
С =
1 3
VRe .
(6)
Относится к частицам диаметром 0,1-2,5
мм.
3. При значениях Яв = 1000.20000 коэффициент С почти не зависит от Яв и в среднем равен 0,45. Эта область относится к частицам 2,5-8,0 мм.
Все три случая имеют место при смешивании лечебных комбикормов. Сила тяжести и силы сопротивления, действующие на частицу в вертикально восходящем потоке воздуха, всегда направлены в противоположные стороны. При этом существуют три возможных случая: Я>О - частица движется вверх, Я<О - частица движется вниз и Я=О - частица находится в равновесии. Отношение Я/О определяет направление движения частицы, а значение 1>Я/О>1 характеризует возможность смешивания или разделения частиц воздушным потоком [5]. Однако формы смешиваемых частиц очень разнообразны, их положение в занимаемом объеме постоянно меняется; следовательно, и миделево сечение изменяется относительно направления потока. Следовательно, результатам расчета также присущи погрешности. Поэтому возможности смешивания целесообразно определять по скорости витания частиц смеси.
При движении частицы вниз (О>Я) сила сопротивления:
(7)
где Vч - абсолютная скорость частицы, м/с; Vв - скорость воздушного потока, м/с. В этом случае частица движется вниз с
йс
ускорением —, а движущая сила
йс
О-Я = т— или О
м
„ ¿с
Я + т—.
(8)
где т - масса частицы, кг. При С = 0 частица находится во взвешенном состоянии, Я = О, а скорость воздушно-
го потока =
С
-
Кв- = С =
(9)
где Квт. - скорость витания, м/с. Из формулы (9) можно получить значение скорости витания или, как ее еще называют, критической скорости
V = /—
Vит I _ _
(10)
Расчетное определение скорости витания не дает точных результатов, поэтому в практике ее определяют экспериментально в ла-
бораторных воздушных классификаторах. В зависимости от ориентации частицы в потоке значение скорости витания колеблется в широких пределах. Необходимо учесть, что скорость витания частиц в свободном сечении канала изменяется при наличии группы частиц не только в результате их соударения, но в значительной степени в результате изменения живого сечения канала. Чем больше частиц находится в канале, тем меньше его живое сечение, и при одинаковом расходе воздуха скорость обтекания частиц увеличивается [6].
Результаты и обсуждение. Всестороннее изучение процесса смешивания позволяет выделить существенные факторы, от которых в основном зависит однородность смеси:
где у - коэффициент однородности смеси; Р - концентрация контрольного компонента , %; У к - удельный вес контрольного компонента, г/см3; ун - удельный вес наполнителя, г/см3; йк - размер частиц контрольного компонента, мм; йн - размер частиц наполнителя, мм; С - сыпучесть наполнителя.
На основании детального изучения этих факторов [7] предложен смеситель для приготовления кормолекарственных смесей [8].
Установка смешивания лечебных препаратов, витаминных и минеральных добавок с наполнителем представлена на рисунке. Установка включает лабораторную мельницу 1 для приготовления первичных премиксов с устройством ввода препаратов 2, бункер для наполнителя 3 с загрузочным шлюзом 4; измельчитель-смеситель 5 для приготовления вторичных премиксов содержит шаровой корпус 6 с обтекателем 7 в верхней части, в нижней цилиндрической части сферического корпуса на раме 8 закреплен рабочий диск 9, с насечкой 16 на рабочей стороне в форме Архимедовой спирали, по центру которого проходит вал привода 10, на нем закреплена двухстороння лопасть 11 (вид А), стороны лопастей, прилегающ ие к рабочей поверхности диска, срезаны по углом естественного откоса смеси а=23-31° (вид Б), между рабочим диском и двухсторонней лопастью уста-
новлены регулировочные прокладки 12; поверхность (гэкр.), равным 2/3 радиуса ша-
вдоль вертикальной оси шарового корпуса рового корпуса Яш (гэкр.=2/3 Яш); в нижней
измельчителя-смесителя установлен сфери- части шарового корпуса установлен выгруз-
ческий экран 13 радиусом, образующим ее ной патрубок 14 с заслонкой 15.
Рисунок. Установка смешивания лечебных препаратов, витаминных и минеральных добавок
с наполнителем
Работает установка смешивания лечебных препаратов, витаминных и минеральных добавок с наполнителем следующим образом. В лабораторную мельницу 1 для приготовления первичных премиксов при открытой крышке и закрытой заслонке из устройства ввода препаратов 2 помещают лечебный премикс, а из бункера 3 добавляют наполнитель в соотношении 1:3. Включают в работу лабораторную мельницу и в течение 60 секунд совместно измельчают и смешивают компоненты. Полученный первичный пре-микс при открытой заслонке и работающей лабораторной мельнице через шлюз 4 выгружают в измельчитель-смеситель 5 для приготовления вторичного премикса; в него же из бункера 3 добавляют 15-20% от установленной дозы наполнителя в лечебном комбикорме. Включают в работу вал привода 10 измельчителя-смесителя и закрепленную на
нем двухстороннюю лопасть 11, сторона его, прилегающая к рабочей поверхности диска 9, закрепленного на раме 8, срезана под углом естественного откоса смеси а=23-31° (вид Б); при вращении лопасти смесь зажимается наклонной ее стороной и в зазоре 0,61,2 мм, который регулируется прокладками 12, между лезвием лопастей и насечкой на рабочей стороне диска в форме Архимедовой спирали зажимается под постоянным углом защемления Р=18-20° (вид А), при совместном смятии компонентов происходит процесс взаимной диффузии - механическое вдавливание одного компонента в другой; двухсторонняя лопасть равномерно выбрасывает смесь измельчаемой массы с воздухом на 360° внутренней сферической поверхности корпуса 6 измельчителя-смесителя вторичных премиксов, создается устойчивый поток - псевдоожиженный слой, в режиме
повышенного давления, в котором компоненты равномерно распределяются, а обтекатель 7 через кольцевой зазор I направляет поток смеси вниз, где в объеме сферического экрана 13 с радиусом Гэкр. продолжается процесс смешивания в псевдоожиженном слое в режиме пониженного давления и на его вогнутой поверхности, которая через зазор 5 направляет поток смеси к оси двухсторонней лопасти, далее в зазор между лезвиями лопастей и насечкой на рабочей стороне диска 9; вакуум в зоне вертикальной оси сферы способствует устойчивой подаче смеси на рабочие органы в зону диффузии; достигается замкнутый устойчивый процесс - одновременного измельчения путем совместного смятия компонентов, смешивания на вогнутой поверхности шара и сферического экрана, а также в их объемах в режиме псевдо-ожиженного слоя при переменном давлении.
Таким образом, в измельчителе-смесителе установлен сферический экран 13 с окружностью, образующей поверхность радиусом Гэкр., равным 2/3Яш - радиуса шарового корпуса (Яш), который разделяет объем смесителя на зоны повышенного и пониженного давления, при этом изменяется траектория и хаотичность движения различных частиц, что способствует равномерному смешиванию компонентов, формирует материально-воздушный поток и направляет его к оси вала привода 10 в зону начала измельчения, в зазор между лезвием двухсторонней лопасти и насечкой на рабочей поверхности диска в зону совместного измельчения препаратов и наполнителя; достигается замкнутый, управляемый, устойчивый процесс смешивания.
Конвективное смешивание в псевдоожи-женном слое отличается высокой эффективностью, малым временем смешивания, простой конструкцией, однако при работе смесителя происходит сегрегация смеси - рассор-тирование компонентов по массе частиц и размерам. Поэтому для каждого типа смесителя и вида смеси необходимо экспериментально установить режим работы смесителя: соотношение компонентов, число оборотов вала смесителя, время смешивания, степень загрузки емкости смесителя и др. [10].
Диффузионное смешивание осуществляется способом взаимной диффузии компонентов при совместном смятии, в результате из двух гетерогенных (неоднородных компонентов) образуется гомогенный (однородный) продукт - вещества находятся в одном агрегатном состоянии и при последующем смешивании не разделяются. Диффузионное смешивание представляется как процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого, что приводит к выравниванию их концентрации по всему занимаемому объему. При этом происходит перенос вещества с мест высокой концентрации в места низкой концентрации и наоборот. Атомы соприкасающихся материалов перемешиваются на границе соприкосновения рабочих органов [11].
Установка диска из искусственных жерновых камней, закаленного чугуна, песчаников или гранита и других точильных камней с высоким коэффициентом трения обеспечивает процесс смятия, а угол трения а =12-15°, насечка на рабочей поверхности рабочего диска в форме Архимедовой спирали определена из условия сохранения постоянного угла защемления измельчаемых кусочков Р=18-20° по всему диаметру диска. Угол трения, угол защемления и зазоры проверены экспериментально и на практике.
Особенность смешивания лечебных препаратов и витаминных термолабильных и минеральных премиксов в том, что размеры частиц солей микроэлементов, используемых в комбикормовом производстве, варьируют в широких пределах - от пылевидных, способных витать в воздухе, до аномально крупных (1,2 мм). Установлено, что миграционная способность материальных частиц различной плотности в диапазоне крупности от 0,1 до 3 мм, подверженных действию воздушного потока, определяется состоянием равновесия частиц на кривой (наклонной) поверхности и зависит от скорости потока и угла наклона. На сферической поверхности создаются благоприятные условия пересекающихся траекторий движения легких и тяжелых материалов в поле действия аэродинамических, гравитационных и центробежных сил.
Выводы. Ключевым показателем для определения оптимального режима конвективного способа смешивания является рабочая скорость лопастей (Ураб.) и скорость витания частиц основного компонента смеси, при
этом Краб. = (1,2 ... 1,4) ^ит.
Однородность смеси (до 95%) обеспечивают смесители, совмещающие конвективные и диффузионные процессы смешивания. Более достоверные показания однородности смеси лечебных комбикормов те, которые получены опытным путем для конкретной конструкции смесителей.
Литература:
1. Клычев Е.М., Сыроватка В.И. Исследование процесса смешивания сыпучих кормов в псевдоожижен-ном слое. // Науч. тр. ВИЭСХ. 1973. Т. 34. С. 95-129.
2. Ластовцев А.М. Исследование процесса смешения сыпучих материалов в псевдоожиженном слое // Химическая промышленность. 1962. № 11. С. 35-38.
3. Сыроватка В.И. Основные закономерности процесса измельчения зерна в молотковой дробилке // Науч. тр. ВИЭСХ. 1964. Т. 14. С. 89-155.
4. Кильчевский Н.А. Теория соударения твердых тел. М., 1953. 269 с.
5. Соколов А.Я. Технологическое оборудование предприятий по хранению и переработке зерна. М., 1975.
6. Горячкин В.П. Собрание сочинений. М., 1963.
7. Планирование и организация эксперимента / А.Г. Левшин и др. М., 2015.
8. Пат. 2730652 РФ. Установка смешивания лечебных препаратов, витаминных и минеральных добавок с наполнителем / Сыроватка В.И. и др. Опубл. 24.08.20.
9. Тодес О.М., Цитович О.Б. Аппараты с кипящим зернистым слоем. Л., 1981. 328 с.
10. Расчеты аппаратов кипящего слоя / И.П. Мухле-нов и др. Л., 1986. 352 с.
11. Полимерные композиционные материалы / Кербер М.Л. и др. СПб., 2008. 560 с.
12. Филипов В. Поведение минеральных частиц в потоке на искревленной поверхности // ГИАБ. 2007. № 3. С. 268-371.
Literatura:
1. Klychev E.M., Syrovatka V.I. Issledovanie processa smeshivaniya sypuchih kormov v psevdoozhizhennom sloe. // Nauch. tr. VIESKH. 1973. T. 34. S. 95-129.
2. Lastovcev A.M. Issledovanie processa smesheniya sy-puchih materialov v psevdoozhizhennom sloe // Himiche-skaya promyshlennost'. 1962. № 11. S. 35-38.
3. Syrovatka V.I. Osnovnye zakonomernosti processa iz-mel'cheniya zerna v molotkovoj drobilke // Nauch. tr. VIESKH. 1964. T. 14. S. 89-155.
4. Kil'chevskij N.A. Teoriya soudareniya tverdyh tel. M., 1953. 269 s.
5. Sokolov A.YA. Tekhnologicheskoe oborudovanie pre-dpriyatij po hraneniyu i pererabotke zerna. M., 1975.
6. Goryachkin V.P. Sobranie sochinenij. M., 1963.
7. Planirovanie i organizaciya eksperimenta / A.G. Lev-shin i dr. M., 2015.
8. Pat. 2730652 RF. Ustanovka smeshivaniya lechebnyh preparatov, vitaminnyh i mineral'nyh dobavok s napolni-telem / Syrovatka V.I. i dr. Opubl. 24.08.20.
9. Todes O.M., Citovich O.B. Apparaty s kipyashchim zernistym sloem. L., 1981. 328 s.
10. Raschety apparatov kipyashchego sloya / I.P. Muhle-nov i dr. L., 1986. 352 s.
11. Polimernye kompozicionnye materialy / Kerber M.L. i dr. SPb., 2008. 560 s.
12. Filipov V. Povedenie mineral'nyh chastic v potoke na iskrevlennoj poverhnosti // GIAB. 2007. № 3. S. 268-371.
JUSTIFICATION OF SPHERICAL MIXER'S DESIGN PARAMETERS AND OPERATING REGIMES A.D. Obukhov, post-graduated student FGBOU VO RGAU-MSHA named after K.A. Timiryazev
Abstract. Treatment and prevention of animals and poultry diseases, as well as their healthy condition and high production maintaining by medicinal compound feeds from common feeders feeding timely is carried out. This requires a mixture's high uniformity. The convective and diffusion methods of mixing's optimal parameters and key indicators of optimal of the mixers' working bodies with a spherical chamber calculation are highlighted. The fundamental parameter of the mixing process is the optimal speed of the blade ends (Vwork.), at that a high mixture's uniformity is achieved at (up to 95%) statement is substantiated. It is established that Vwork. = (1,2-1,4) Vend. blades' ends, where Vend. of optimal circumferential velocity is the critical velocity of the ends of the blades at which the mixture passes into a pseudo fluidized state. An installation for medicinal compound feeds preparation is proposed. The installation includes a laboratory mill for primary premixes and communicating it shredder-mixer for secondary premixes, that in the ball's body form is made, a spherical screen in it is installed, and in the lower part there is a working disk with a notch in the Archimedes spiral's form. It is assumed that the mixer blades working ends' speed (Vwork.) by the speed of the main component of the filler, taking into account the determined correction factor's soaring speed, and it is equal to Vwork. = (1,2...1,4)Vv\t, A higher mixture uniformity is provided by the convective and diffusion methods of mixing integration in the same installation.
Keywords: mixture uniformity, working velocity of particles, soaring velocity, ball mixer.
