CC BY
35
- ПРОЦЕССЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И АППАРАТЫ
ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ -
УДК621.929.2/.9
Д.М. Бородулин, С.С. Комаров
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СГЛАЖИВАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ БАРАБАННОГО СМЕСИТЕЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ С РЕГУЛИРУЕМЫМИ
ЛОПАСТЯМИ
Представлена новая конструкция барабанного смесителя, обладающего регулируемой инерционностью. Описана методика определения постоянных времени, входящих в передаточные функции барабанного смесителя. Проведены исследования сглаживающей способности смесителя для некоторых смесей при различном расположении Г-образных лопастей и частоте вращения барабана на основе частотного и временного анализа. Полученные результаты позволили сделать вывод, что для приготовления смесей сыпучих материалов с соотношением смешиваемых компонентов от 1/10 до 1/50 целесообразно использовать новый смеситель барабанного типа, в котором осуществляется регулирование инерционных характеристик за счет возможности установки Г-образных лопастей в спиралевидном или шахматном порядке.
Смеситель, барабанный, сглаживающая способность, кривая вымывания, дифференциальная кривая, интегральная кривая, передаточная функция.______________________________________________________________
Введение
В настоящее время большое внимание уделяется развитию перерабатывающих отраслей производства, связанных с удовлетворением населения в сбалансированном питании. Для решения этой задачи необходимо значительно увеличить масштабы внедрения в производство новой высокоэффективной техники, которая одновременно с коренным улучшением качества продукции гарантировала бы рост производительности труда, снижение материалоемкости и энергопотребления. Это актуально для многих отраслей промышленности, таких как: пищевая, химическая, электрохимическая, и других отраслей, позволяющих получать новые композиционные материалы (электронику, алмазный инструмент с высококачественными эксплуатационными характеристиками). Приготовление однородных по составу композиций из твердых материалов, находящихся в порошкообразном или зернистом состоянии путем их смешивания, широко используется в промышленности. При этом возникает острая необходимость в смесительном оборудовании, на котором было бы возможно получать высококачественные смеси из нескольких ингредиентов.
Применение различных смесителей периодического действия является экономически невыгодным, кроме того, их применение характеризуется значительным объёмом ручного труда. А использование смесителей непрерывного действия дает возможность автоматизировать процесс, снизить энергозатраты, получать смеси более высокого качества. Для приготовления смесей сыпучих материалов с соотношением смешиваемых компонентов от 1/10 до 1/50, целесообразно использовать механические СНД барабанного типа, которые характеризуются простотой конструкции, низким уровнем воздействия на смешиваемые материалы, возможностью изменять производительность смесителя в широком диапазоне 50-200 кг/ч, возможностью регулировать
инерционные характеристики смесителя (накопительную способность, схему движения материала внутри барабана).
Поэтому разработка смесителей барабанного типа для переработки мелкозернистых и дисперсных материалов является актуальной научной задачей, представляющей большой практический интерес для пищевых и ряда других отраслей.
Целью данной работы являлось создание барабанного смесителя с регулируемой инерционностью для получения однородных по составу композиций заданного качества.
В соответствии с поставленной целью в настоящей работе решалась следующая основная задача -разработать и экспериментально исследовать новую конструкцию барабанного смесителя с организацией направленного движения материальных потоков, обеспечивающей получение качественных смесей.
Результаты и их обсуждение
Для проверки предложенных нами конструкторских решений в смесительно-дозировочной лаборатории был разработан смесительный агрегат, состоящий из блока дозирующих устройств (два спиральных дозатора), прибора для отбора проб, пульта управления с контрольными приборами и барабанного смесителя новой конструкции, техническая новизна которого заключается в том, что Г-образные лопасти поворачиваются относительно друг друга на 360 °. Смеситель (рис. 1) работает следующим образом: порошкообразные материалы подаются в рабочую камеру через загрузочный патрубок 6. При вращении барабана 1 порошкообразные материалы ссыпаются с рабочих поверхностей Г-образных лопастей вниз, перемещаясь одновременно по двум образующим барабана 1. При этом, кроме разделения объема материала на два неравных потока на каждой лопасти, происходит его циркуляция по длине смесительного барабана. Основ-
ной поток смеси будет перемещаться в осевом направлении в сторону выгрузки, большие стороны лопастей установлены с этой стороны. За счет возможности поворота Г-образных лопастей относительно друг друга на 360 о их можно установить в шахматномили в спиралевидном порядке и т.д. В результате установки Г-образных лопастей в шахматном порядке объём материала делится на два потока, и один из них ссыпается на предыдущую лопасть, от которой накладывается на второй поток. В результате этого происходит многократное наложение разделяемых потоков, благоприятствуя общему усреднению качества смеси. При расположении лопастей в спиралевидном порядке часть материала постепенно возвращается к начальной точке его движения, обеспечивая внутреннюю объёмную циркуляцию, при этом сглаживая входные пульсации исходных компонентов. Готовая смесь выгружается через разгрузочный патрубок 7.
Таким образом, за счет многократного соединения и разъединения потоков в предлагаемой конструкции аппарата получают порошкообразные смеси заданного качества.
Рис. 1. Барабанный смеситель:
1 - барабан; 2 - центрующие опоры; 3 - центральный вал;
4 - Г-образные лопасти; 5 - станина; 6 - загрузочный патрубок; 7 - разгрузочный патрубок
На новом барабанном смесителе были проведены эксперименты по определению сглаживающей способности, в ходе которых изменялась частота вращения барабана (10; 25; 40 об/мин),
расположение Г-образных лопастей смесителя (шахматный и спиралевидный порядок). Исследования проводили на трех смесях, компоненты которых имели различные физикомеханические характеристики (манка - сахар, мука -соль, песок - ферромагнитный порошок (ФМП)).
Эксперименты проводили следующим образом: в барабанный смеситель новой конструкции
непрерывным потоком подавался основной
компонент. Индикатор в количестве 8-10 % от загрузки СНД вводили внутрь аппарата практически мгновенно (не более 2 с), затем начинали отбор проб (по 30-50 г) на выходе из аппарата. Абсолютное значение содержания трассера в каждой пробе ( в граммах) перевоодили в относительное (в долях от общего количества вводимого трассера, принятого за единицу), затем строили график зависимости изменения концентрации трассера от времени. Таким образом получили кривую распределения времени пребывания частиц в аппарате - кривую вымывания, полученную на разных частотах вращения барабана (спиралевидное расположение Г-образных лопастей), которая в качестве примера представлена на рис. 2. Учитывая, что площадь под кривой соответсвует количеству вышедшего из аппарата трассера, можно построить интегральную функцию распределения времени пребывания (ФРВП), изображенную на рис. 3.
*п=40 об/мнн
■ и- 25 об/мин
—1^—
И - ♦ А,1в-чч
I 90 100
Рис. 2. Дифференциальная кривая, полученная для смеси манка - сахар
.‘Iі ♦---------------
—А___________■
і ■
-1--------------■-
♦ Юоб/мин ■ 25 об/мин
* 40 об/мнн
40 60
80 100
и с
Рис. 3. Интегральная кривая, полученная для смеси манка - сахар
По интегральным кривым графоаналитическим методом были найдены значения постоянных времени Т\ и Т22, входящих в передаточные функции смесителя, которые представлены в табл. 1 и 2.
Таблица 1
Значения постоянных времени при расположении лопастей в спиралевидном порядке
Таблица 2
Значения постоянных времени при расположении лопастей в шахматном порядке
Материал п, об/мин Значения постоянных времени, входящих в передаточные функции
Т1 Т22 т
Мука 10 52,5 641,7 79,37
25 37,5 345,31 28,125
40 36,87 317,85 21,87
Манка 10 10 22,26 58
25 16,6 46,25 37,2
40 18 60,75 27
Песок 10 34,85 336,31 56,3
25 39,1 381,39 27,2
40 32,72 250,82 30
Материал п, об/мин Значения постоянных времени, входящих в передаточные функции
Т1 гр 2 т 2 т
Мука 10 30,625 234,375 61,875
25 32,4 257,6 24,3
40 63,6 997,5 20
Манка 10 25,4 108,2 50,27
25 25,4 90,62 28,10
40 15,93 52,71 21,87
Песок 10 36,75 327,11 47,56
25 34,54 257,80 30,9
40 42,27 444,18 32,72
Из табл. 1 и 2 предварительно можно сделать вывод, что чем больше значения Т^и Т22, тем выше сглаживающая способность смесителя.
Передаточную функцию (ПФ) смесителя приняли в виде второго звена с интервалами запаздывания [2]:
(1)
где Т1 и Т22 - постоянные времени СНД; Кс - коэффициент передачи смесителя; т - время запаздывания.
Подставив полученные численные значения Т1 и Т2 в (1), определим ПФ для смеси манка - сахар при п=10 об/мин:
Ж (5) _
1- ехр
22,26£ +105 +1
(2)
Сглаживающая способность барабанного смесителя оценивалась с помощью частотного анализа (ЧА), который позволяет выполнить оценку степени сглаживания практически на любой частоте дозирования
Для проведения ЧА ПФ смесителя представляли как: Ж(]ш)=^/т(ш)+Ле(ш). После определения Яе(<х>) -вещественной частотной характеристики и /т(ю) -мнимой частотной характеристики строили амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) смесителя: А(ю)=^(/т2(ю)+^е2(ю)), изображенные на рис. 4.
Рис. 4. АЧХ режимов работы барабанного смесителя: ^1=10 об/мин; А2=25 об/мин; А3=40 об/мин
Из рис. 4 видно, что чем ниже кривая, тем выше будет сглаживающая способность смесителя. В ча-стностидля данного случая при п=40 об/мин и с установленными Г-образными лопастями в спиралевидном порядке £=тах. На рис. 5 для данного случая отображена общая частотная характеристика (годограф): R(ю)=Im(ю)+Rе(ю).
геЗ(СО), х (ф, 1), х (ф, 2), х (ф, 3) Рис. 5. Общая частотная характеристика (годограф)
При заданной частоте работы дозаторов (от 3 до 7 с-1) по графикам (рис. 4) проводили оценку сглаживающей способности барабанного СНД. Например, при подаче на вход смесителя дозирующего сигнала с частотой, равной 3,6 с-1, длина вектора частотной передаточной функции будет равна: R(ra)=А3(ra)=0,00119. Затем определяли сглаживающую способность S (ю) барабанного смесителя по формуле:
S (3,6) =
1
1
R(3,6) 0,00119
= 840.
Следовательно, барабанный смеситель на данной частоте входного сигнала сглаживает его колебания в 840 раз. В табл. 3 и 4 представлены значения сглаживающей способности для всех режимов работы агрегата.
Таблица 3
Значения сглаживающей способности барабанного смесителя при расположении Г-образных лопастей в спиралевидном порядке
Таблица 4
Значения сглаживающей способности барабанного смесителя при расположении Г-образных лопастей в шахматном порядке
п, об/мин Манка-сахар Мука-соль Песок-ФМП
3,6 6,8 3,6 6,8 3,6 6,8
10 285 1030 9090 30303 4347 15625
25 591 2173 4545 15873 5000 17875
40 840 2857 4166 14705 3225 11627
п, об/мин Манка- сахар Мука-соль Песок-ФМП
3,6 6,8 3,6 6,8 3,6 6,8
10 1449 5000 3030 10869 4347 15151
25 1219 4166 3448 12195 3333 11904
40 684 2439 12500 47619 5882 20833
Из полученных данных (табл. 3-4) видно, что для материалов с различными физикомеханическими свойствами сглаживающая способность различна. Однозначно сказать, что S повышается или понижается с увеличением частоты вращения нельзя, т.к. для разных смесей оптимальная частота своя.
Схему расположения Г-образных лопастей, угол их поворота друг друга и частоту вращения барабана для получения смеси заданного качества необходимо подбирать в зависимости от физикомеханических свойств материалов.
Для определения степени сглаживания реальных сигналов блока спиральных дозаторов, нами проводился временной анализ смесительного агрегата (СА). Вначале с помощью программы «MathCAD» определим реальный сигнал блока дозаторов смесительного агрегата при дозировании основного (манка) и ключевого (сахар) компонентов спиральными дозаторами. Полученный сигнал представлен на рис. 6.
Амплитуда входного сигнала блока дозаторов равна:
Хвх
аш _ "
16,332 -15,92 2
= 0,206,
(4)
где Х^Ш - амплитуда входного сигнала, ХШ^ - максимальное значение массового расхода блока дозаторов, XШ1П - минимальное значение массового расхода блока дозаторов.
Рис. 6. Реальный сигнал блока дозаторов
Далее полученный сигнал подавался на вход СНД СА. Отклик системы на входной сигнал представлен на рис. 7.
Рис. 7. Отклик системы на входной сигнал первого
блока дозаторов, отношение амплитуд входного (...)
и выходного (—) сигналов
Анализ полученных графиков позволяет определить реальную степень сглаживания флуктуаций питающих потоков блока дозаторов.
В качестве примера подробно произведём расчёт S (ю) СНД при п=10 об/мин. Для этого вычислим амплитуду выходного сигнала из смесителя по формуле:
шах шт
X 1/4 ---- X 1Л
2
ХГ = ХЫТ = I6,!285-16,!2575 = 0,00055. (5)
Далее находим отношение амплитуды на выходе к среднему массовому расходу:
R(ю) = Хаш = 0,00055 = 0,0000341. (6)
ха0 16,126
Таблица 5
Сглаживающая способность барабанного смесителя при расположении Г-образных лопастей в спиралевидном порядке
Затем рассчитываем сглаживающую способность СНД:
Я (ю) = —^~ =-----1-----= 29325. (7)
R(ю) 0,0000341
Аналогичным образом определили сглаживающую способность смесителя при частоте вращения барабана 25 и 40 об/мин, полученные результаты сведены в табл. 5 и 6.
Таблица 6
Сглаживающая способность барабанного смесителя при расположении Г-образных лопастей в шахматном порядке
Выводы
В заключение можно отметить, что для приготовления смесей сыпучих материалов с соотношением смешиваемых компонентов от 1/10 до 1/50, целесообразно использовать новый смеситель барабанного типа, в котором осуществляется регулирование инерционных характеристик за счет возможности установки Г-образных лопастей в спиралевидном или шахматном порядке (на данный аппарат подана заявка на получение патента РФ).
На данном СНД проведены исследования сглаживающей способности новой конструкции барабанного смесителя с помощью двух различных методов, численные значения которых показали, что исследуемый СНД сглаживает пульсации входных материальных потоков, возникающих от дозаторов объемного типа, в диапазоне от 285 до 447 000 раз, позволяя получать смеси заданного качества за счет оптимальных технологических и конструктивных параметров, а также организации направленного движения потоков.
Список литературы
1. Иванец, В.Н. Анализ частотно-временных характеристик смесителя непрерывного действия центробежного типа / В.Н. Иванец, А.Н. Жуков, Д.М. Бородулин // Хранение и переработка сельхозсырья. - 2004. - № 2.
2. Комаров, С.С. Разработка и исследование барабанного смесителя для получения комбинированных продуктов: дис. магистра техники и технологии / Комаров С.С. - Кемерово, 2013. - 103 с.
3. Коршиков, А.Ю. Разработка и исследование барабанного смесителя непрерывного действия для переработки пищевых сыпучих материалов: дис... канд. техн. наук / Коршиков А.Ю.- Кемерово, 1996. - 187 с.
ФГБОУ ВПО «Кемеровский технологический институт
пищевой промышленности», 650056, Россия, г. Кемерово, б-р Строителей, 47.
Тел/факс: (3842)73-40-40, е-ша11: [email protected]
SUMMARY D.M. Borodulin, S.S. Komarov
SMOOTHING ABILITY OF A CONTINUOUS ACTION DRUM MIXER WITH ADJUSTABLE BLADES
A new design of the drum mixer in presented. A technique for determining the time constant included in the transfer functions of the drum mixer is described. The research of the mixer smoothing ability for some mixtures at different positions of the L-shaped blades and different drum speed, on the basis of timing and frequency analysis is carried out.
Drum mixer, smoothing ability, washout curve, the differential curve, the integral curve, the transfer function, timing analysis, frequency analysis.
Kemerovo Institute of Food Science and Technology, 650056, Russia, Kemerovo, Boulevard Stroiteley, 47.
Phone/fax: +7(3842) 73-40-40, e-mail: [email protected]
Дата поступления: 12.07.2013
