CC BY
9
УДК 621.65
Результаты исследований смесительной установки сыпучих компонентов с жидкостью
Виктор Германович Мохнаткин, доктор техн. наук, профессор, ректор Андрей Сергеевич Филинков, кандидат техн. наук, доцент, Павел Николаевич Солонщиков, аспирант ФГБОУ ВПО Вятская ГСХА, г. Киров, Россия
E-mail: info@vgsha.info
В статье изложены результаты исследований рабочего процесса смесительной установки. Выявлены основные факторы, характеризующие рабочий процесс устройства.
Ключевые слова: устройство ввода и смешивания, втулка, спиральная навивка, рабочее колесо, подача, напор, мощность, коэффициент полезного действия
Процессы смешивания и растворения порошкообразных материалов и кристаллических веществ в жидкости широко используются в народном хозяйстве, в том числе в пищевой промышленности и при получении жидких кормовых смесей в животноводстве.
Анализ конструкций устройств для смешивания и растворения показал, что в них используется вертикальная подача порошкообразных продуктов [1]. Загруженный материал соединяется с поперечным потоком растворяющей жидкости и смешивается во всасывающем патрубке насоса. Такая схема подачи не исключает возможности зависания продукта и его последующего нагрева за счёт трения и комкообразования. Поэтому, учитывая вышесказанное, предлагается конструкция, исключающая данные недостатки (рис. 1). В предложенной конструкции исключен питающий насос, то есть устройство работает и как смеситель, и как нагнетатель. Использование спиральной навивки в качестве устройства для транспортирования материала
в рабочую камеру позволяет предотвратить зависание продукта.
Рис. 1. Схема устройства с вертикальной подачей жидкости
В Вятской сельскохозяйственной академии разработано устройство ввода и смешивания сыпучих компонентов с жидкостью (рис. 2) [2]. Устройство состоит из рабочей камеры 2 (рис. 2, а), соединенной с загрузочной камерой 1, внутри которой расположено рабочее колесо.
а б
Рис. 2. Схема (а) и общий вид (б) устройства ввода и смешивания сыпучих компонентов с жидкостью: 1 - загрузочная камера; 2 - рабочая камера; 3 - питающий патрубок; 4 - напорный патрубок; 5 - основной диск с лопатками; 6 - покрывной диск; 7 - втулка; 8 - неподвижные лопатки; 9 - окно
Рабочее колесо выполнено как комбинация открытого колеса на периферии и закрытого колеса в центре, снизу ограниченного основным 5, а сверху покрывным диском 6. Покрывной диск 6 соединен с расположенной по центру втулкой 7, имеющей спиральную навивку. В покрывающем диске и втулке выполнены окна 9, расположенные так, что между каждыми двумя лопатками рабочего колеса последовательно чередуются окна во втулке и покрывающем диске.
В результате в закрытой части колеса создаются изолированные каналы для подачи сыпучего и жидкого компонентов. Жидкость поступает в центр рабочего колеса через питающий патрубок 3 и окна 9 во втулке, а сыпучий компонент принудительно подается спиральной навивкой через горизонтальные окна в покрывающем диске 6. Компоненты предварительно смешиваются на открытой части колеса, затем при взаимодействии его с неподвижными лопатками 8 и далее в кольцевом отводе происходит процесс окончательного смешивания.
Цель исследований - проведение параметрических испытаний смесительной установки и получение математических моде-
Таблица 1
Матрица плана 23 и результаты экспериментальных исследований
лей рабочего процесса перекачивания жидкости. Оптимизация основных факторов, влияющих на режим работы установки.
Материал и методы. Проведенные предварительные испытания [1] позволили получить рабочий диапазон частоты вращения вала рабочего колеса. При проведении параметрических испытаний частота вращения рабочего колеса составила 750 и 1500 мин-1.
Экспериментально исследовали взаимное влияние частоты вращения вала электродвигателя п, количества неподвижных лопаток Z и давления в загрузочной камере р3 (в процессе исследований изменялось случайным образом и фиксировалась по стандартной методике [3]) на целевые функции: максимальная подача 2пах, м3/ч; максимальный напор Нпах, м; максимальная полезная мощность Рпах, Вт и коэффициент полезного действия п, %. Матрица плана и результаты экспериментальных исследований представлены в таблице 1.
Результаты и их обсуждение. После проведения предварительных исследований были определены интервалы и уровни варьирования факторов и реализована матрица плана полнофакторного эксперимента (табл. 1).
Уровни варьирования факторов Факторы Критерии оптимизации
частота вращения вала n, мин'1 число неподвижных лопаток Z, шт. давление в загрузочной камере р3 Qmax, м3/ч Hmax, м N max Вт п, %
физическая величина, кПа нормированная величина
Xl Х2 X3
Верхний уровень (+) 1500 20 98,1 - - - -
Нижний уровень (-) 750 0 94,1 - - - -
1 -1 -1 97,84 -0,87 4,06 1,83 18,03 6,78
2 +1 -1 98,08 -0,99 7,82 5,48 54,97 6,72
3 -1 +1 97,98 -0,94 4,03 0,82 10,73 5,62
4 +1 +1 94,1 -1 8,16 4,64 52,97 5,69
5 -1 -1 98,1 +1 2,95 3,22 3,50 10,01
6 +1 -1 98,1 +1 4,96 6,82 21,42 15,08
7 -1 +1 98,1 +1 1,96 1,72 2,69 5,46
8 +1 +1 98,1 +1 3,90 7,01 20,94 11,28
После реализации плана и расчета коэффициентов регрессии получены математи-
Адекватность уравнений (1), (2), (3) и (4) проверена с помощью ^-критерия Фишера. Табличное значение ^-критерия при 5%-ном уровне значимости и числе степеней свободы ¡1 = 4 и ¡2 = 24 - ^0,05 = 2,78 [3]. Расчётное значение ^-критерия Ерасч1 = 1,3; Ррасч2 = 2,45, Ерасч3 = 2,39 и Ерасч4 = 2,68, гипотезы об адекватности моделей принимаются.
Анализ математической модели (1) показал, что в данной серии опытов преобладающее влияние на величину максимальной подачи Qmax оказывает частота вращения вала (Ь1 = 1,46) и давление в загрузочной камере (Ь3 = -1,3), но число неподвижных лопаток (Ь2 = -0,21) незначительно снижает величину подачи.
Из-за радиального расположения неподвижных лопаток они создают направляющий аппарат, который в свою очередь выпрямляет поток жидкости при соответствующей частоте вращения, таким образом идет некоторое увеличение подачи.
Математическая модель (2) показывает, что значение максимального напора Нтах также зависит от частоты вращения (Ь1 = 2,08), но при увеличении числа лопаток (Ь2 = -0,35) будут увеличиваться гидравлические сопротивления, то есть как следствие падение напора.
В математических моделях (3) и (4) так же, как и в моделях (1) и (2) значения Штаа и П будут зависеть от частоты вращения вала п и от давления в загрузочной камере р3.
Таким образом, давление в загрузочной камере р3 зависит в данном случае от наличия или отсутствия материала в ней. Поэтому, когда материал находится в загрузочной камере, устройство будет иметь мак-
ческие модели по четырем критериям оптимизации (независимые факторы исключены):
(1)
(2)
(3)
(4)
симум значения напорно-энергетической характеристики.
В случае работы устройства как смесителя фактор х2 можно зафиксировать на уровне +1, так как для смешивания компонентов необходимо наличие неподвижных лопаток.
На рисунке 3 представлены двумерные сечения поверхностей откликов, показывающие изменение максимальной подачи Qmax, напора Нтах, полезной мощности Ытах и коэффициента полезного действия п в зависимости от частоты вращения вала п и давления в загрузочной камере р3, при фиксированном значении х2 = +1 (2 = 20 шт.).
Двумерное сечение (рис. 3, а) в координатах частоты вращения п и давления в загрузочной камере р3 при фиксированном факторе х2 = +1 показывает, что, увеличивая п от 1420 до 1500 мин-1 и р3 от 94,1 до 94,5 кПа (давление разряжения), достигли увеличения максимальной подачи до Qmax = 7,8 м3/ч. А двумерное сечение (рис. 3, б) показывает, что, увеличивая п от 1380 до 1500 мин-1 и р3 от 94,1 до 95,2 кПа (давление разряжения), достигли максимального напора Нтах = 6,4 м.
Двумерное сечение поверхности отклика модели у3 (рис. 3, в) показывает, что, увеличивая частоту вращения п от 1380 мин-1 до 1500 мин-1 ир3 от 94,1 до 94,6 кПа, достигли увеличения полезной мощности до 48 Вт. Соответственно двумерное сечение (рис. 3, г) показывает, что, увеличивая частоту вращения п = 1380...1500 мин-1 и р3 от 94,1 до 94,7 кПа, достигли значения коэффициента полезного действия п = 13,2%.
Qmax = 4,74 + 1,46X1 - 0,21X2 - 1,3X3 - 0,47X1X3 - 0,29X2X3; Нтах = 3,9 + 2,08X1 - 0,35X2 - 0,71X3 + 0,18X1X2 - 0,21X1X3 - 0,11X2X3; ^тах = 23,3 + 14,27X1 - 1,42X2 - 11,17X3 + 0,75X1X2 - 5,26X1X3 + 1,08X2X3; П = 8,68 + - 0^2 - 2,2^ + 0,82x1x2 - 1,48x^3,.
б
в г
Рис. 3. Двумерные сечения поверхностей отклика для: подачи Qmax, м3/ч (а), максимального напора Нтах, м (б), максимальной полезной мощности Итах, Вт (в) и коэффициента полезного действия ц, % (г)
Выводы. По результатам параметрических испытаний установлено, что смесительная установка при частоте вращения вала n = 1500 мин-1, числе лопаток Z = 20 шт. и давлении в загрузочной камере р3 = 94,1 кПа, будет иметь максимальные значения: подача Qmax = 7,8 м3/ч; напор Нтса = 6,4 м; коэффициент полезного действия п = 13,2%; полезная мощность Nmax = 48 Вт.
Список литературы 1. Мохнаткин В.Г., Филинков А.С., Со-лонщиков П.Н. Устройство ввода и смешива-
ния сыпучих компонентов с жидкостью // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2012. № 9. 22-24.
2. Устройство для приготовления смесей. Пат. 104022 Российская Федерация, МПК А 23 С 11/00. Заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО ВГСХА - №2010152132/10; заявл. 20.12.2010, Бюл. №13. 2 с.
3. Мельников С.В., Алешкин В.Р., Ро-щин П.М. Планирование эксперимента в исследованиях сельскохозяйственных процессов. 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Колос, 1980. 168 с.
The results of research of device for mixing of loose components with liquid
Mokhnatkin V., Filinkov A., Solonschikov P.
The article presents the results of research of workflow of mixer. The main factors that characterize workflow of device are revealed.
Key words: device for input and mixing, sleeve, spiral wound, impeller, flow, pressure, power, degree of efficiency
а
