CC BY
23
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 631.363.7
РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА ПЕРЕМЕШИВАНИЯ В СМЕСИТЕЛЕ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ
В. В. Коновалов, доктор техн. наук., профессор;
А. В. Чупшев, канд. техн. наук
ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА», т. 8(412) 628-272, е-таИ: [email protected]
Приведены результаты теоретических исследований процесса перемешивания в смесителе микродобавок. Определены моменты сил, возникающие в процессе перемешивания и величина глубины центральной воронки, образующиеся при вращательном движении материала.
Ключевые слова: смеситель, мешалка, лопасть, емкость, смесь, коэффициент вариации, равномерность смеси, крутящий момент, конструктивные параметры.
В перспективе около 54 % производимого в стране фуражного зерна будет перерабатываться комбикормовой промышленностью, а оставшаяся часть - использоваться для производства комбикормов непосредственно в хозяйствах или на межхозяйственных предприятиях [1, 2]. В связи с этим потребность в смесителях, способных приготавливать качественные смеси, неизбежно растет [3, 4]. Известные в настоящее время смесители разнообразны по конструкции, принципу действия и способу реализации технологического процесса [1-6]. Однако далеко не все они способны приготовить качественную смесь из сухих компонентов.
В ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» изготовлен смеситель (рис. 1), состоящий из рамы 1 с установленным на ней корпусом 2, внутри которого закреплены последовательно три цилиндрические емкости 3, 4 и 5, через которые проходит центральный вал 6 с закрепленными на нем мешалками с лопастями 7, выполненными из прутка круглого сечения и имеющими Г-образную форму.
Все емкости имеют выгрузные окна, снабженные заслонками 8, открывающимися при помощи рукояток 9. Корпус 2 также снабжен выгрузным окном с заслонкой 10 и лотком 11 для отгрузки готовой смеси.
Рис. 1. Конструктивно-технологическая схема
смесителя микродобавок: 1 - рама; 2 - корпус; 3, 4, 5 - смесительные емкости; 6 - центральный вал; 7 - мешалка; 8 - заслонка емкостей; 9 - рукоятка; 10 - выгрузная заслонка корпуса; 11 - лоток; 12 - бункер; 13 - заслонки бункера; 14 - гибкий шланг; 15 - клиноременная передача; 16 - электродвигатель
Нива Поволжья № 2 (23) май 2012 51
Над корпусом 2 установлен бункер 12 с заслонками 13 для загрузки исходными микродобавками и наполнителем смеси, разделенный на четыре секции, причем малая секция бункера соединена гибким шлангом 14 с наименьшей емкостью смесителя 3, а наибольшая - с корпусом 2. Остальные емкости соединены соответственно. Привод смесителя микродобавок осуществляется посредством клиноремен-ной передачи 15 от электродвигателя 16 [5, 6, 7,8].
Работа данного смесителя микродобавок происходит следующим образом: засыпанные компоненты в малой емкости смесителя начинают перемешиваться при подаче крутящего момента к центральному валу 6 смесителя с установленными на нем мешалками с лопастями 7. После завершения перемешивания первичная смесь из малой емкости 3 выгружается в следующую 4, для чего открывается соответствующая заслонка 8 малой емкости при помощи рукоятки 9, а также открывается заслонка 13 второй секции бункера. В результате во вторую емкость 4 смесителя дополнительно поступает наполнитель из второй секции бункера и первичная смесь. После перемешивания компонентов полученная смесь поступает в следующую емкость 5, где осуществляется аналогичный процесс. Смесь, полученная в емкости 5, поступает в корпус 2, где таким же образом происходит окончательное перемешивание. Готовая смесь отгружается при открытии заслонки 10 по выгрузному лотку 11.
Для решения задачи внешнего обтекания тел в условиях перемешивания возможно применение уравнений Навье-Стокса и неразрывности потока [9, 10, 11]. Для решения этой задачи используют теорию подобия.
Критериальное уравнение для мешалок имеет вид
Км = /(Квц, ¥тм, Г], Г2, ...)
или
Км = ЛЯв,т ^т: -Г/ ■Г2\ (1)
где Явц - циркуляционный критерий Рей-нольдса;
¥тм - критерий Фруда;
Г], Г2 - симплексы геометрического подобия; численные значения коэффициентов Л, п\ т \ р\ д" для подобных мешалок устанавливаются экспериментально.
Предлагается дополнительно ввести следующие симплексы геометрического подобия: длины лопастей Ьи м - = диа-
режима
- Г - —■
Л л'
высоты заложенного
метра лопастей
й
материала Н0, м - Гф = —■
Яа
Для расчета смесителя используется метод, основанный на равенстве моментов, создаваемых вращающимися лопастями мешалки и возникающими сопротивлениями стенок корпуса аппарата.
Крутящий момент, т. е. момент сил, возникающих при вращении лопастей мешалки, будет уравновешиваться:
Мкр = МКОр + Мт +МА, (2)
где МКор, Мея - моменты сил сопротивления вращению, возникающие на стенках корпуса аппарата и внутренних устройствах соответственно;
МА - момент сил гидравлического сопротивления воздуха при наличии свободной поверхности, Нм.
Такой подход обеспечивает возможность использования единых расчетных зависимостей для аппаратов с мешалками разных типов и различными внутренними устройствами. В качестве гидродинамической основы расчета используются характеристики профиля окружной скорости жидкости в аппарате, а при значительном сопротивлении внутренних устройств - ос-редненное значение окружной скорости. С их помощью определяется глубина центральной воронки и мощность привода мешалки, необходимая для осуществления перемешивания.
На границе воздушно-продуктового слоя и воздушно-вихревой зоны имеет место момент сил гидравлического сопротивления МА, определяемый по формуле
Мл = -2 ■ я ■ ^ ■ Л/ ■ И
-с2
(3 ■ + 2■ фД (3)
где абсолютная вязкость воздуха, Па с;
а - угловая скорость рабочего органа, рад ./с;
Н - высота воздушно-вихревой зоны, м; та - радиус границы воздушно-продуктового слоя, м;
К - константа приведенной скорости продуктового слоя на его границе;
щ, щ2 - коэффициенты параметра профиля окружной скорости.
В зоне воздушно-продуктового слоя момент, действующий на молотки (лопасти), некоторыми авторами предлагается определять по формуле
М\
1а
"' ^ а
л'л-;^!':,:-^; -'.], (4)
- гй = -
; кинетического
й
где рс - средняя плотность смешиваемого материала при обработке, кг/м3;
г
гл - приведенный радиус лопасти (аналог критерия гидродинамического подобия).
Учитывая, что диаметр лопастей незначителен, а над мешалкой располагается высокий слой материала (рис. 2), верхние слои которого полностью закрывают мешалку и имеют скорость значительно меньше мешалки, сопротивлением воздушно-вихревой зоны пренебрегаем, т. е. сохраняем только слагаемые, регламентируемые РД 26-01-90-85 [12, 13]:
Мкр = Мкор + Мен.
Документ РД 26-01-90-85 рекомендует следующие формулы для определения значений моментов сил, приложенных к перемешиваемой среде.
Крутящий момент на валу мешалок, Нм,
М„
с-К
(5)
где - коэффициент мощности перемешивания;
£ - коэффициент гидравлического сопротивления, определяемый эмпирически.
Момент сопротивления о стенки корпуса, Нм,
гс^'Г ■ |Л„?5 . те-175
МК(Ш =
Р1
(6)
где 2- коэффициент сопротивления корпуса аппарата,
И
■. =\ ^ - ■; - параметр высоты заполнения аппарата; (I = 8 - без перегородок, р = 1 для аппарата со свободной поверхностью материала),
Н- высота заполнения аппарата, м; Гр = - симплекс гидродинамического подобия;
- диаметр мешалки, м; В - диаметр емкости, м; ¥ср - относительная усредненная окружная скорость материала в аппарате, м/с.
(8)
,
СВ/2>8
где - число внутренних устройств в аппарате;
у-. - коэффициент сопротивления /'-го внутреннего устройства;
/ - площадь проекции /-го внутреннего устройства на плоскость, перпендикулярную направлению вращения мешалки;
Гг - радиус установки /-го внутреннего устройства;
V (г) - относительная окружная скорость материала на расстоянии гг от оси вращения.
В рассматриваемом нами случае внутренние неподвижные устройства отсутствуют. Вид выражений, используемых для определения значений К1, Vcp и V (г/), при записи уравнения равенства моментов для конкретного аппарата зависит от суммарного сопротивления внутренних устройств
Рис. 2. Схема смесительного аппарата: 1 - подшипниковая опора верхняя; 2 - емкость смесительная; 3 - вал; 4 - лопасть мешалки; 5 - втулка крепежная мешалки; 6 - подшипниковая опора нижняя; 7 - материал смеси
г
5
7
Нива Поволжья № 2 (23) май 2012 53
, типа мешалки и значения Г0: при Иж £ 0,1 ■ О ■ Н и Г0>1,5 для рамных и якорных мешалок жидкости
z-Гр
,(9)
К1=(у1+у2)2, где y и y2 - параметры профиля окружной скорости материала. Значения y и y2 связаны соотношением y2 = -S\-S2-y1, где Si и S2 - коэффициенты профиля окружной скорости,
Таким образом, при Лп £0,1 • D • Н уравнение равенства моментов записывается и решается относительно параметра y, причем корень этого уравнения рекомендуется уточнять внутри отрезка
Г -Ji Ji-i"
.
По найденному значению y определяется y2, а затем рассчитывается глубина центральной воронки:
S <11)
где В - параметр глубины воронки, значение которого можно определить по эмпирической зависимости:
В = -17,2 + (12)
При вращательном движении материала в аппаратах с мешалками наблюдается образование центральной воронки, сопровождающееся подъемом вещества у стенки аппарата (рис. 3).
kR = В ■ кя
Рис. 3. Схема образования воронки при вращении мешалки: 1 - мешалка; 2 - стенки вертикальной цилиндрической емкости; 3 - свободная поверхность перемешиваемого материала
Если угловая скорость перемешиваемой среды высока, глубина воронки стано-
вится сопоставимой с глубиной установки мешалки или даже превышает ее. При большом радиусе поверхности воронки на уровне расположения мешалки в материал погружены только концы лопастей [14, 15]. Это равноценно уменьшению площади лопастей и приводит к уменьшению величины крутящего момента, приложенного к перемешиваемой смеси. Одновременно наблюдается увеличение поступления воздуха в смесь, его диспергирование и образование газожидкостной смеси в зоне, непосредственно обметаемой лопастями. Следовательно, локальная плотность среды, обтекающей лопасти, оказывается ниже средней ее плотности в аппарате, что также вызывает уменьшение крутящего момента.
В условиях, когда объем воронки велик, ее образование приводит к повышению уровня смеси вблизи стенки аппарата, т. е. к увеличению гидравлического сопротивления корпуса. Поскольку высота подъема смеси обычно относительно невелика, заметного увеличения крутящего момента не происходит, а при достижении поверхностью воронки внутренних кромок лопастей мешалки наблюдается существенное снижение мощности. При строгом совпадении оси вращения мешалки с осью аппарата влияние воронки должно было бы ограничиваться рассмотренными выше явлениями. На практике, однако, имеют место эллиптичность корпусов, эксцентриситет, биение вала и т. д. Поэтому в реальных условиях, особенно при наличии в аппарате неподвижных внутренних устройств, ось воронки совершает прецессирующее движение относительно оси аппарата, а ее глубина и, следовательно, скорость смеси и крутящий момент на валу колеблются. Возникающие при этом неуравновешенные динамические нагрузки отрицательно сказываются на работоспособности подшипников и уплотнений (известны даже случаи изгиба или поломки валов мешалок). Рассматриваемые отрицательные воздействия, связанные с образованием воронки, практически исключаются, если вершина воронки располагается выше ступицы мешалки.
Таким образом, усилие сопротивления перемещению лопасти пропорционально физико-механическим свойствам материала, высоте его слоя, диаметру (толщине) лопасти, а также квадрату угловой скорости и диаметру мешалки. Соответственно, в критериальную модель кроме критериев Рейнольдса и Фруда вводятся и аналогичные симплексы подобия: гидродинамиче-
3
2
ского подобия, длины и диаметра лопастей, высоты заложенного материала. Величина же центральной воронки должна находиться выше ступицы мешалки аппарата, такое условие будет являться одним из требований к применимости аппарата с перемешивающим устройством для приготовления смесей микродобавок.
Литература
1. Коновалов, В. В. Механизация технологических процессов животноводства: учебное пособие / В. В. Коновалов, С. И. Щербаков, В. Ф. Дмитриев. - Пенза: РИО ПГСХА, 2006. - 274 с.
2. Коновалов, В. В. Устройство и технологический расчет оборудования для кормления свиней: учебное пособие. - Пенза: ПГСХА, 1998. - 176 с.
3. Лабораторный практикум по механизации и технологии животноводства: учебное пособие / Б. И. Вагин, А. И. Чугунов, Ю. А. Мирзоянц, В. В. Калюга, В. В. Коновалов. - Вел. Луки, 2003. - 560 с.
4. Коновалов, В. В. Механизация приготовления и раздачи кормов: учебное пособие. - Пенза: РИО ПГСХА, 2002. - 190 с.
5. Коновалов, В. В. Обоснование технических средств приготовления и выдачи кормов в свиноводстве: монография. -Пенза: РИО ПГСХА, 2005. - 314 с.
6. Коновалов, В. В. Влияние технологических параметров на показатели работы смесителя микродобавок / В. В. Коновалов, А. В. Чупшев // Нива Поволжья. - 2009. -№ 2(11). - С. 76-81.
7. Коновалов, В. В. Определение потребного количества воздействий лопастей на смесь / В. В. Коновалов, А. В. Чупшев, В. П. Те-рюшков // Научно-технический прогресс в животноводстве: стратегия машинно-технологического обеспечения производства
продукции на период до 2020 г.: сб. тр. 12-й Междунар. науч. техн. конф., Т. 20, ч.3 / ГНУ ВНИИМЖ. - Подольск, 2009. - С. 107115.
8. Нуруллин, Э. Г. Некоторые результаты исследований по определению параметров централизованного дозирования аппаратов / Э. Г. Нуруллин, И. М. Сапахов, И. З. Исламов // Вестник Казанского ГАУ. -2009. - № 3(13). - С. 147-149.
9. Коновалов, В. В. Практикум по обработке результатов научных исследований с помощью ПЭВМ / В. В. Коновалов. - Пенза: ПГСХА, 2003. - 176с.
10 Федоренко, И. Я. Технологические процессы и оборудование для приготовления кормов / И. Я. Федоренко. - М.: ФоруМ, 2007. - 176 с.
11. Евсеенков, С. В. Повышение эффективности процесса смешивания компонентов сыпучих кормов: автореф. дис.... д-ра техн. наук / С. В. Евсеенков. - Саратов, 1994. - 42 с.
12. НТП-АПК 1.10.16.001-02. Нормы технологического проектирования кормоцехов для животноводческих ферм и комплексов. - Введ. 29.04.2002. - М.: Издательство стандартов, 2002. - 170 с.
13. РД. 10.19.2.-90 - Руководящий документ. Испытания сельскохозяйственной техники. Машины и оборудование для приготовления кормов: Методы испытаний. -М., 1990. - 20 с.
14. Чупшев, А. В. Экспериментальные исследования смесителя кормов / А. В. Чуп-шев, В. В. Коновалов, С. В. Гусев // Нива Поволжья. - 2008. - № 2(7). - С. 69-75.
15. Обоснование технологических параметров смесителя кормов / В. В. Конно-валов, В. П. Терюшков, И. А. Боровиков, С. В. Гусев // Нива Поволжья. - 2006. -№ 1. - С. 27-29.
Нива Поволжья № 2 (23) май 2012 55
