CC BY
133
УДК 621.65
В.Г. Мохнаткин, д-р техн. наук, профессор; В.Н. Шулятьев, д-р техн. наук, профессор А.С. Филинков, канд. техн. наук, доцент; П.Н. Солонщиков, А.Н. Обласов, Н.Н. Юдников,
аспиранты, ФГБОУ ВПО Вятская ГСХА
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ УСТРОЙСТВА СМЕШИВАНИЯ СЫПУЧИХ КОМПОНЕНТОВ С ЖИДКОСТЬЮ
Процессы смешивания и растворения растворимых порошкообразных материалов и кристаллических веществ в жидкости широко используются в народном хозяйстве, в том числе в пищевой промышленности и при получении кормовых смесей для кормления животных [1].
Проведённый обзор научной, технической и патентной литературы показал, что промышленно выпускаемое оборудование, представленное на рынке, можно разделить на два типа устройств:
- с внесением сухих компонентов в ёмкость;
- с подачей сухих компонентов в поток движущейся жидкости.
В обоих случаях с целью интенсификации процесса смешивания используют центробежные насосы и(или) роторно-пульсационные аппараты.
Устройства со внесением компонентов в
потоке целесообразно устанавливать в высокопроизводительных линиях (до 50 т/ч по готовому продукту), а порционные - на линиях малой производительности [2].
Анализ конструкций устройств, применяемых для смешивания и растворения сухих порошкообразных продуктов в молочной, пищевой и других отраслях промышленности, позволяет предложить следующую их классификацию (рис 1).
В настоящее время прослеживается тенденция к разработке устройств с внесением компонентов в потоке. К таким установкам предъявляются следующие основные требования, определяемые технологическими и технико-экономическими условиями [3]:
- возможность перекачивания и смешивания различных видов веществ;
- изменяемая производительность, позволяющая работать в необходимом режиме;
Рис. 1. Классификация устройств смешивания и растворения сухих и порошкообразных компонентов
- высокое качество смешивания, определяемое стабильностью получаемой смеси;
- простой доступ к рабочим органам аппарата для чистки, промывки и быстрого устранения неполадок;
- возможность механизированной загрузки компонентов для обеспечения непрерывной и равномерной работы машины;
- небольшие габариты и масса;
- минимальные затраты энергии на привод аппарата.
В наиболее распространенных устройствах [1...3], используется вертикальная подача порошкообразных или кристаллических продуктов, соединяющихся с поперечным потоком растворяющей жидкости (рис 2а) и смешивающихся с ней во всасывающем патрубке насоса. Однако, такая схема подачи не
Сухие
компоненты
Рис. 2. Схема устройств (а) с
исключает возможности зависания продукта, его последующего нагрева за счёт трения, наличия нерастворившихся комков. С целью исключения данных недостатков на кафедре технологического и энергетического оборудования ФГБОУ ВПО Вятской ГСХА была разработана схема устройства с вертикальной подачей жидкости (рис 26) [4].
Предложенная схема исключает использование питающего насоса, устройство работает и как смеситель, и как нагнетатель. Зависание сухих компонентов в горловине загрузочной воронки исключается за счет использования спиральной навивки, принудительно подающей материал в рабочую камеру.
Устройство состоит из рабочей камеры 2 (рис. 3), соединенной с загрузочной камерой 1, внутри которой расположено рабочее колесо.
б)
и (б) с вертикальной подачей жидкости
1 - загрузочная камера;
2 - рабочая камера;
3 - питающий патрубок;
4 - основной диск с лопатками;
5 - окна; 6 - неподвижные лопатки; 7 - втулка
Рис. 3. Устройство ввода и смешивания сыпучих компонентов с жидкостью Рабочее колесо выполнено как комбина- того колеса в центре, снизу ограниченного ция открытого колеса на периферии и закры- основным 4, а сверху покрывным диском 5.
Покрывной диск 5 соединен с расположенной по центру втулкой 7, имеющей спиральную навивку. В покрывающем диске и втулке выполнены окна 5, расположенные так, что между каждыми двумя лопатками рабочего колеса последовательно чередуются окна во втулке и покрывающем диске. А неподвижные лопатки
6 интенсифицируют процесс смешивания.
Для испытаний устройства ввода и смешивания создан специальный стенд (рис. 4), способный работать как по схеме с открытым контуром (загрузочная камера соединена с атмосферой), так и по схеме с закрытым контуром (загрузочная камера герметизируется).
Данное устройство предназначено для работы в составе поточных технологических линий, или как самостоятельная машина (в совокупности с резервуаром), работающая по циклическому процессу.
При работе устройства по схеме с открытым контуром система работает как разомкнутая. Расход жидкости на входе Ql определяется высотой столба жидкости Н=Нбака+Н1 (рис.
2). Расход жидкости на выходе Q2 определяется величиной подачи устройства как центробежного насоса.
Возможно три случая:
1) Ql=Q2 - обеспечивается непрерывность потока, устройство работает в штатном режиме;
2) Q1>Q2 - приводит к переполнению загрузочной камеры жидкостью, смачиванию сыпучих компонентов и их налипанию на стенки;
3) Q1<Q2 - нарушается неразрывность потока, что обеспечивает подсос воздуха через окна для подачи сыпучих компонентов, снижение подачи установки, интенсивное пенообра-зование с обогащением раствора воздухом.
В результате, при работе по данной схеме с питанием из резервуара, так и в случае использования для подачи жидкости питающего насоса, необходимо согласование по подачам Ql и 62.
Для определения влияния частоты вращения рабочего колеса на показатели работы устройства как центробежного насоса и выбора пределов варьирования на начальном этапе были проведены предварительные исследования рабочего процесса методами однофакторного эксперимента. Для определения подачи устройства на различных режимах были проведены испытания, результаты которых представлены на рисунке 5.
СЬ, м’/ч 8 7 6 5 4 3 2 1
600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 п, мин'1
—------—закрытый контур — *—*— открытый контур
—а------а—- открытый контур при дросселировании
Рис. 5. Зависимость максимальной подачи от частоты вращения рабочего колеса устройства ввода и смешивания сыпучих компонентов с жидкостью
с
В
т. N г
У/ 0 >0: : : Г-2 >
%
\ \ А
На рисунке 5 наглядно видны экспериментально определенные границы диапазонов подач Ql и 02 для разомкнутой системы. Отрезок А показывает подачу питающей сети при отсутствии переполнения загрузочной камеры. Кривая В характеризует подачу питающей сети, а кривая С - подачу устройства при замкнутой системе (закрытый контур).
Снятие напорной характеристики (отрезок А) при работе по схеме с открытым контуром проводили при дросселировании питающего трубопровода при помощи шарового крана, выравнивания подачи и 02.
Если не проводить дросселирование, то
происходит заполнение загрузочной камеры жидкостью (кривая В), и система частично переходит в режим закрытого контура (сближение кривых В и С). При увеличении частоты вращения свыше 1000 мин-1, за счёт попадания воздуха через окна в покрывающем диске, подача снижается и приближается к подаче «самотеком» из резервуара.
На рисунке 6 представлены напорные характеристики устройства ввода и смешивания, подтверждающие сделанные выводы. Полученные напорные характеристики очерчивают поля, где верхняя граница соответствует закрытой системе, а нижняя - открытой.
Н, м
1
6
5
4
3
2
1
-Г?_ПГТК Гп=1 ^ППа/ГТДиЧ
/ / / / /
ЗПп ' / / / 'X . , '/
1000 мин1
%//// %/Л
ШІ ;^ч\ХК /ЛЛ// У//у)}
7$() Щц і
12345678 <3, м/ч
---закрытый контур-открытый контур
-----открытый контур при дросселировании
Рис. 6. Напорные характеристики устройства ввода и смешивания сыпучих компонентов
с жидкостью
С учетом режима работы технологиче- ской линии рабочая точка будет находиться
внутри заштрихованной области при соответствующей частоте вращения рабочего колеса. При схеме с закрытым контуром полученные характеристики близки к характеристике насоса Г2-ОПБ (пересчитано по формулам подобия), на базе которого изготовлено устройство. Пересчёт производили в соответствии с методиками [5] по формулам:
(1)
V
п
н
" у
п
и
\ 2
н
1и у
(2)
где пн, пи - соответственно, номинальная и испытываемая частота вращения вала электродвигателя, мин-1.
Последующие испытания показали, что устройство ввода и смешивания может работать как в качестве насоса, так и в качестве смесителя. В ходе испытаний выявлены следующие недостатки конструкции: главным образом, невозможность увеличения частоты вращения более 1500 мин-1 из-за значительного подсоса воздуха в систему, что ограничивает показатели напорно-расходной характеристики и, как следствие, - увеличивает энергозатраты. Кроме того, вертикальное исполнение питающего трубопровода увеличивает вертикальный габарит и усложняет монтажную компоновку устройства в линии. Конструкция узла сопряжения всасывающего трубопровода и вращаю-
щегося рабочего колеса допускала попадание воздуха в рабочую камеру.
С целью устранения указанных недостатков была проведена доработка и предложена конструкция устройства смешивания сыпучих компонентов с жидкостью (рис.7).
Устройство включает загрузочную камеру 1, рабочую камеру 2, нагнетательный 3 и питающий патрубок 4, рабочее колесо 5, полую втулку со спиральной навивкой 6.
Полая втулка 6 закреплена в подшипнике 7, который с двух сторон снабжен уплотнениями 8. Питающий патрубок 4 соединен с корпусом. В нижней части загрузочной камеры 1 расположена заслонка 9, перекрывающая подачу материала, находящегося в загрузочной камере 1.
В процессе работы по питающему патрубку 4 поступает жидкость, которая перемещается внутри втулки 6, а в загрузочную камеру 1 засыпается сухой компонент, который под действием силы тяжести попадает на втулку 6 и спиральной навивкой перемещается на рабочее колесо 5. В рабочей камере 2 сухой компонент интенсивно перемешивается с жидкостью за счет неподвижных лопаток 10. Полученная смесь подается через напорный патрубок 3.
Для испытаний устройства смешивания сыпучих компонентов с жидкостью создан стенд (рис. 8).
а) б)
Рис. 7. Схема (а) и общий вид (б) устройства смешивания сыпучих компонентов
с жидкостью
1 - устройство смешивания сыпучих компонентов с жидкостью; 2 - питающий трубопровод;
7 - напорный трубопровод; 4 - вакуумметр; 3 - манометр; 5 - загрузочная камера;
6 - расходомер; 8,9,13 - шаровый кран; 10 - мультиметр;
11 - частотный преобразователь; 12 - бак.
Рис. 8. Схема стенда для испытания устройства смешивания сыпучих компонентов
с жидкостью
При работе по схеме с открытым контуром кран 13 открыт, а по схеме с закрытым контуром - закрыт. Объект и порядок проведения испытаний и оценки результатов оценивались в соответствии с ГОСТ 6134-2007 [5], результаты представлены на рисунке 9.
Отрезок А показывает подачу устройства при закрытой загрузочной камере, здесь вид
но, что характеристика имеет прямолинейную зависимость.
При снятии характеристики при открытой загрузочной камере (отрезок Б) имеем падающую характеристику подачи, что объясняется поступлением в систему воздуха, снижающего подачу.
С), м7ч 14 12 10 8 6 4 2
А V//
/
%/. 'у/ї. У/Ту СП-
II С У '///^ 'ТУл '//У/ у
■ /"// У//' V/// щ II ' а
4^ у/л \
Б/
Рис. 9. Зависимость максимальной подачи от частоты вращения рабочего колеса устройства смешивания сыпучих компонентов с жидкостью
600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000 п, мин
• - закрытый контур —X----------К— открытый контур
На рисунке 10 представлены напорные характеристики устройства.
Н, м 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2
^7//Ш7//7777/77?^
"0 1 * і \\
/
//</ X.
/х> ч
/ / /// "/X
XX ///. >х
/// XX XX XX
/// хх и XX
4 5 6 7
• - закрытый контур
10 11 12 13 14 (}, м /ч
-------открытый контур
Рис. 10. Напорные характеристики устройства смешивания сыпучих компонентов
с жидкостью
При частоте вращения п=3000 мин-1 рабочий интервал подачи находится в пределах от 2,7 до 14,3 м3/ч, при напоре от 12 до 28 м.
Предлагаемое устройство способно работать как в линиях со внесением компонентов в потоке, так и порционным внесением. Применение разрабатываемой конструкции позволит удовлетворить потребности большого числа потребителей, так как её можно использовать в различных областях деятельности: пищевая, биотехнологическая, медицинская промышленность и другие.
Литература
1. Мохнаткин В.Г., Филинков А.С., Солонщиков П.Н. Устройство ввода и смешивания сыпучих компонентов с жидкостью // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2012. № 9. С. 22-24.
2. Липатов Н.Н., Тарасов К.И. Восстановленное молоко (теория и практика производства восстановленных молочных продуктов). - М.: Агропромиздат, 1985. - 256 с.
3. Мохнаткин В.Г., Шулятьев В.Н., Филинков А.С. и др. Обзор устройств и установок для приготовления заменителей цельного молока и анализ их эффективности // Улучшение эксплуатационных показателей сельскохозяйственной энергетики. Материалы V Международной научно - практической конференции «Наука - Технология - Ресурсосбережение», посвящённой 60-летию инженерного факультета: Сборник научных трудов. - Киров: ФГБОУ ВПО Вятская ГСХА, 2012. - Вып. 13. - С. 101 - 105.
4. Патент на полезную модель 104022 РФ, МПК А23С11/00. Устройство для приготовления смесей / В.Г. Мохнаткин, В.Н. Шулятьев, А.С. Филинков, и др. - №2010152132/10; Заявлено 20.12.2010 // Бюл. 2011. - №13 - 2 с.
5. ГОСТ 6134-2007. Насосы динамические. Методы испытаний. - М.: Издательство стандартов, 2008. - 89 с.
