CC BY
30
ИНФОРМАТИКА, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И УПРАВЛЕНИЕ
УДК. 66.022
Н. З. Дубкова, И. А. Дубков, В. В. Харьков, А. Н. Николаев
СПОСОБ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА ПЕРЕМЕШИВАНИЯ В ШНЕКОВЫХ УСТРОЙСТВАХ
Ключевые слова: перемешивание, смеситель, шнек, обратная нарезка.
Интенсификация перемешивающей способности шнеков достигнута за счет использования дополнительных обратных нарезок с различным шагом, глубиной нарезки и числом заходов. Эффективность таких шнеков оценивалась импульсным возмущением входного потока трассирующим веществом с последующей регистрацией кривых отклика. Обработка результатов экспериментальных данных позволила получить уравнение зависимости среднего времени пребывания от параметров обратной нарезки, проведена оптимизация этих параметров, проверена на адекватность ряд теоретических математических моделей. Эффективность обратной нарезки подтверждена исследованием кинетики смешения по длине отдельных шнеков.
Keywords: mixing, stirring machine, screw, reverse thread.
Intensification of screw mixing capacity achieved as a result of using additional reverse thread with different pitches, thread height and number of Archimedean screws. Efficiency of the screws was evaluated from pulse disturbance of input steam by means tracer substance with the following response curve registration. The experiment results led to the dependence of the average residence time upon the reverse thread parameters. The screw parameters optimization and the validity check for some theoretical math models were carried out. The investigation of mixing kinetics along the screw length verified efficiency of using reverse thread.
В настоящее время большая часть побочных продуктов пищевых производств не используется, и сбрасывается в окружающую среду [1, 2]. Причиной ограниченного использование побочных продуктов пищевых производств на кормовые цели является значительные транспортные издержки, недостаточная однородность продукта при их смешивании и высокая кислотность. Поэтому задача, направленная на повышение эффективности использования отходов пищевых производств путем приготовления из них качественных сырых кормов сельскохозяйственным животным в соответствии с зоотехническими требованиями при снижении энергетических затрат и экологического ущерба, являются актуальной.
Приготовление влажных кормов предусматривает минимальную обработку побочных продуктов, которая заключается в снижении влажности. В зависимости от вида побочных продуктов отделение воды осуществляют центрифугированием, прессованием или сгущением. После обезвоживания побочные продукты смешиваются.
Одним из сложных и не до конца изученных процессов является смешивание кормов. Широкое применение в процессе смешивания нашли шнеко-вые устройства с различными конструктивными особенностями для транспортирования, смешения, нагнетания, пластификации сыпучих, волокнистых, тестообразных материалов [3]. Физико-
механические свойства перерабатываемого сырья, назначение и конструктивные особенности шнеко-вого устройства определяют физическую картину движения материала в межвитковом пространстве и эффективность переработки. Важным свойством шнековых устройств является сопутствующее перемешивание материала в процессе транспортирова-
ния, нагнетания или пластификации. Качество перемешивания определяет свойства продукта на выходе из шнековой машины и энергетические затраты на основную операцию. Перемешивание в межвит-ковом пространстве происходит за счет сдвиговых деформаций по толщине перерабатываемого материала. Им соответствует наличие градиента скоростей, эпюры которых имеют нулевые значения на различных глубинах нарезки в зависимости от коэффициента дросселирования, определяющего интенсивность перемешивания [4, 5]. Повышение эффективности перемешивающей способности шнека возможно за счет исключения в эпюрах скоростей точек с нулевыми значениями. Различные конструктивные варианты решения этой задачи в шнековых устройствах наиболее полно описаны в книге Х. Германа [6].
Одним из наиболее эффективных методов интенсификации перемешивающей способности шнеков является введение дополнительной обратной нарезки с различными геометрическими характеристиками [7-9]. В качестве геометрических характеристик обратной нарезки приняты: шаг, глубина и число заходов, которые сведены в план полного факторного эксперимента ПФЭ 23.
Исследования проводились на лабораторной установке (рис. 1), состоящей из электродвигателя, редуктора, цепной передачи и смесителя. На корпусе смесителя двумя винтами крепится крышка для отбора проб на качество смеси по длине. Рабочим органом является шнек, изготовленный с параметрами согласно таблице 1. Шнек вращается на двух подшипниках скольжения, изготовленных из бронзы, один из которых совмещен с формующей головкой. Все элементы смонтированы на сварной раме.
А
Рис. 1 —Экспериментальная лабораторная установка шнекового смесителя: 1 — электродвигатель; 2 — червячный редуктор; 3 — цепная передача; 4 — крышка; 5 — шнек-винт; 6 — подшипник скольжения; 7 — бункер
Для исследования использовался 20%-ный раствор натриевой соли карбоксилметилцеллюлозной кислоты (№КМЦ) в глицерине с плотностью р =1400 кг/м3, в качестве трассера — калиброванные железные опилки (0,1-0,5 мм). Опыты проводились при двух значениях чисел оборотов шнеков 12 об/мин и 16 об/мин, близких к среднему значению рекомендуемого предела чисел оборотов для сдвиговых смесителей (5-40 об/мин). Выбор чисел оборотов ограничивался температурой продукта на выходе из смесителя [6].
Анализ сложных систем, когда нет возможности регистрации внутренних связей, производится по оценке характера изменения закона внешнего (входного) воздействия на выходную реакцию системы (метод «черного ящика»). Одним из важных характеристик интенсивности процесса внутри аппарата является среднее время пребывания перерабатываемого продукта в зоне силового воздействия рабочего органа [10]. Распределение времени пребывания компонентов в смесителе определяется С-кривой — откликом на импульсное возмущение входного потока. При установившемся режиме работы смесителя по постоянной скорости выхода продукта производится импульсная подача определенного веса (10 г) железных опилок на входной поток с регистрацией времени ввода и появления трассера в выходном потоке. Через равные промежутки времени отбираются пробы и анализируются на содержание железных опилок. По результатам анализа строится С-кривая распределения времени пребывания трассера в выходном потоке и рассчитывается среднее время пребывания тср .
Обработка экспериментальных данных ПФЭ 23 позволила найти зависимость среднего времени пребывания от геометрических размеров обратной нарезки со значимыми коэффициентами для чисел оборотов 16 и 12 в минуту соответственно: тср = 253+14,75* + 3,7h +10,752 + 7,75* 2 +10,2* hz, (1)
тср = 175+16,9 * + 6,06h + 5,8 2 +14,6 ^ + 6,7 *2. (2)
Адекватность этих уравнений подтверждена проверкой по критерию Фишера. Методом частных
производных найдены оптимальные значения геометрических параметров обратной нарезки, изготовлены шнеки с оптимальными размерами и исследованы по описанной методике.
Оптимальный винт № 11 по уравнению (1) для 16 об/мин имеет следующие параметры обратной нарезки: глубина нарезки h = 0,3 Н = 0,003 м, шаг * = 3Т = 0,12 м, число заходов 2 = 2 , а по уравнению (2) винт № 12 для 12 об/мин — h = 0,6 Н = 0,006 м, шаг * = 3Т = 0,12 м, число заходов 2 = 3 .
Эффективность обратной нарезки проверяется дополнительными исследованиями кинетики смешения по длине шнеков только с прямой, с прямой и дополнительной обратной нарезкой с минимальными параметрами и в центре плана. Определение степени влияния обратной нарезки на время пребывания важно при осложненных процессах смешения: с температурной обработкой, пластификацией состава или химическим взаимодействием его компонентов. Увеличение времени пребывания ведет к более глубокой обработке сопутствующих процессов.
Интенсификация процессов смешения дополнительными витками предусматривает сокращение времени обработки состава до требуемого качества смеси. Здесь наблюдается некоторое противоречие между быстрым достижением требуемого качества и более длительным временем пребывания для достижения качества сопутствующей обработки состава.
Для исследования кинетики смешения исходные компоненты подаются в смеситель непрерывно с помощью дозатора на базе гибкого шнека [11]. После установления постоянного выходного потока смеситель останавливается, открывается крышка и отбираются по 10 проб в 4-х точках по длине смесителя. Отобранные пробы анализируются на содержание в них железных опилок. По результатам анализов рассчитываются среднее содержание железных опилок в смеси, начальная и текущие по длине смесителя значения дисперсий.
Результаты обработки опытных данных представляются графически в виде кривых изменения качества смеси во времени (рис. 2).
Анализ расчетно-экспериментальных значений факторов, определяющих интенсивность перемешивания, доказал эффективность шнеков с обратной нарезкой. Сравнение значений коэффициента продольного перемешивания (критерия Ре) для шнека без обратной нарезки и оптимальных шнеков показывает увеличение эффективности за счет обратных нарезок до 5-7 раз (9-10 раз). Учитывая различные положения по глубине основной нарезки нулевых точек на эпюрах скоростей движения обрабатываемой среды и их зависимость от коэффициента продольного перемешивания, для исследования кинетики смешения предложена конструкция шнека с трёхзаходной обратной нарезкой с шагом, равным трем шагам прямой нарезки, и глубиной нарезки каждого захода соответственно 1/4 ,1/2, 3/4 глубины основной (прямой) нарезки.
О 10 20 30 Ь10',м
Рис. 2 — Кинетические кривые по длине шнека (п = 16 об/мин)
Сравнение кинетических кривых исследованных на качество смеси по длине шнеков без обратной нарезки, с обратной нарезкой с минимальными параметрами и винта с параметрами в центре плана показывают эффективность обратной нарезки. Расположение кинетических кривых остальных винтов
вероятно будут располагаться между кинетическими кривыми винтов 9 и 10.
Таким образом, шнековые устройства с обратной нарезкой эффективны при приготовлении влажных кормов.
Литература
1. П. Е. Баланов, И. В. Смотраева, О. Б. Иванченко, Р. Э. Хабибуллин, Вестник технологического университета, 19, 1, 131-134 (2016).
2. П. Е. Баланов, И. В. Смотраева, О. Б. Иванченко, Р. Э. Хабибуллин, Вестник Казанского технологического университета, 18, 5, 229-232 (2015).
3. А. Н. Грачев, В. Н. Башкиров, И. А. Валеев, Р. Г. Хисматов, А. А. Макаров, Д. В. Тунцев, Энергетика Татарстана, 4, 16-20 (2008)
4. И. Э. Груздев, Р. Г. Мирзоев, В. И. Янков. Теория шне-ковых устройств. Изд-во Ленинградского ун-та, Л., 1978, 144 с.
5. В. С. Ким, В. В. Скачков. Диспергирование и смешение в процессах производства и переработки пластмасс. Химия, М., 1988, 240 с.
6. Х. Геррман. Шнековые машины в технологии. Химия, М., 1975, 232 с.
7. Авторское свидетельство СССР № 214796 (1966).
8. Авторское свидетельство СССР № 657994 (1976).
9. Авторское свидетельство СССР № 863384 (1981).
10. С. Л. Ахназарова, В. В. Кафаров. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии. Высшая школа, М., 1978, 319 с.
11. Патент РФ № 2050179 (1995).
© Н. З. Дубкова, к.т.н., доцент кафедры оборудования пищевых производств КНИТУ, dubkova_n@rambler.ru; И. А. Дубков, к.т.н., доцент каф. ОПП КНИТУ; В. В. Харьков, ассистент каф. ОПП КНИТУ, v.v.kharkov@gmail.com; А. Н. Николаев, д.т.н., профессор, зав. каф. ОПП КНИТУ, andr_nik_nik@rambler.ru.
© N. Z. Dubkova, Candidate of Science, Associate Professor, Department of Food Production Equipment, Kazan National Research Technological University, dubkova_n@rambler.ru; I. A. Dubkov, Candidate of Science, Associate Professor, Department of Food Production Equipment, KNRTU; V. V. Kharkov, Assistant Professor, Department of Food Production Equipment, KNRTU, v.v.kharkov@gmail.com; A. N. Nikolaev, Doctor of Engineering, Professor, Head of Department of Food Production Equipment, KNRTU, andr_nik_nik@rambler.ru.
