Влияние коэффициента интенсивности перемешивания на конструкцию смесителя непрерывного действия
ART 54475
УДК
001
М.
В. ФоминаБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Фомина
М.
В.,
Калиганов
А.
С.,
Чупшев
А.
В.,
Терюшков
В.
П. Влияние коэффициента интенсивности перемешивания на конструкцию смесителя непрерывного действия // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2014. – Т. 20. – С.
1056–1060. – URL:
http://e-koncept.ru/2014/54475.htm.
Аннотация. Представлены результаты аналитических исследований и компьютерного моделирования влияния коэффициента интенсивности перемешивания на качества приготавливаемой смеси при последовательном расположении нескольких рабочих органов.
Ключевые слова:
качество смеси, равномерность смеси, интенсивность перемешивания, смеситель, длительность смешивания
Текст статьи
Фомина Мария Владимировна,аспирант ФГБОУ ВПО «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия», г. Пензаtopstar11@mail.ru
Калиганов Алексей Сергеевич,аспирант ФГБОУ ВПО «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия», г. Пензаsvet.ooo@mail.ru
Чупшев Алексей Владимирович,канд. техн. наук, ст. преподаватель ФГБОУ ВПО «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия», г. Пензаchupschevav@mail.ru
Терюшков Вячеслав Петрович,канд. техн. наук, доцент ФГБОУ ВПО «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия», г. Пензаtvp141@mail.ru
Влияние коэффициента интенсивности перемешивания конструкцию смесителя непрерывного действия
Аннотация. Представлены результаты аналитических исследований и компьютерного моделирования влияния коэффициента интенсивности перемешивания на качества приготавливаемой смеси при последовательном расположении нескольких рабочих органов.Ключевые слова:равномерность смеси, интенсивность перемешивания, смеситель, длительность смешивания, качество смеси.
Для получения смесей используется такой технологический процесс как смешение компонентов.Учитываяразличиятребований к качеству смеси и завершенности смесеобразованиякак процесса, а также вероятность случайногораспределения частиц всыпучих смесях по всемуобщемуобъему, данный процесс весьма сложно описать теоретически, а поэтому онизучен недостаточно. Применительно к приготовлениюкормов первостепенноевнимание уделяется выявлению затрачиваемоймощности и производительности устройства [1,2], обоснованию отдельных рациональных конструктивнорежимных параметров устройствас учетом специфики конструкции смесителя и т.д. [3…10]Обобщенное теоретическое описание показателя качества процесса смешивания на данный момент отсутствует. Согласно рекомендациям ряда авторов [11],процесс смешивания может описываться по аналогии с процессом диффузиипоказательной функцией. Согласно этой аналогии, для описания равномерности смеси справедливо уравнение:= 1 еkT. (1)где k эмпирический коэффициент интенсивности перемешивания; Т длительность смешивания материала[9], с:. (2)где М масса материала смеси постоянно находящаяся внутри смесителя, кг; Q производительность смесителя непрерывного действия повыгрузке, кг/с.При этом из анализа работы смесителей [2…10] видно рис.1, что при поступлениикомпонентовсмеси с исходным качеством смеси Нв смесители с различными типами рабочих органов, а соответственно с разными коэффициентами интенсивности перемешивания k, изменение качества смеси будет происходить по разному: 1T и 2(T).Потребное качество смеси Кдостигнет через промежуток времени:ТС1ТКТН, ТС2=tКtН,
(3)где Тни tнусловное время смешивания,соответствующее промежутку времени до начала перемешивания, для достижения равномерности смеси, соответствующей качеству смеси Нна началоперемешиваниякомпонентов в смесителе.с.
Рисунок 1 Влияние длительности смешивания Т с на изменение равномерности смешивания (0,01%) Чем положе график функции, тем больше времени надобно на достижение потребного качества смеси. Учитывая, что энергоемкость перемешивания в различных смесителях различна, соответственно затраты энергии будут разными. При этом, как правило, больший коэффициент интенсивности перешивания требует большей энергоемкости. С целью оптимизации процесса смешивания с энергетической точки зрения требуется использовать последовательное расположение рабочих органов с разными величинами коэффициента перемешивания, причем только их правильное сочетание позволит уменьшить суммарные затраты энергии на процесс.В процессе оптимизации смешивания требуется решать две задачи.1. Если изначально имеется уровень смешивания Н, то каков будет уровень смешивания К черезвремя Т=TC?Условное время до начала смешивания определится. (4)В таком случае, качество смеси через промежуток времени ТС составит:. (5)2. Если изначально имеется уровень смешивания Н, а через некое время ТTCбудет уровень смешивания К, то сколько времени потребуется на данное изменение качества смеси?Согласно рисунка 1:
, . (6)Тогда . (7)Равномерность смеси К достигается через время, (8)где . (9)Осуществив компьютерное моделирование, произвели проверку полученных выражений рис.2, что позволяет использовать полученные результаты в последующем моделировании процессов.абРисунок 2 График показательной функции при отсутствии поправок (а) и при их наличии (б) на начальное качество смеси и время условного смешивания
Используя указанные выражения, было осуществлено моделирование смешивания сухих концентрированных кормов в смесителе непрерывного действия [12], представленном на рис.3. Одновременно с непрерывной загрузкой ингредиентов смеси в нижней части смесителя осуществляется выгрузка приготовленной смеси через выгрузное отверстие. Длительность перемешивания внутри смесителя регулируется заслонкой, перекрывающей выгрузное отверстие смесителя и обеспечивающей расположение лопастной мешалки под слоем перемешиваемого материала. В зависимости от количества ярусов лопастей мешалки время смешивания будет различным.
Рисунок 3Схема смесительного устройства:1 подшипниковая опора верхняя; 2 емкость смесителя; 3 вал; 4 лопасть мешалки; 5 втулка крепежная мешалки; 6 подшипниковая опора нижняя; 7 материал смеси
В результате компьютерного моделирования получены графики изменения качества смеси равномерности смеси , 0,01% в зависимости от длительности перемешивания Т, с. За промежуток времени от «0» до «Т`» частицы материала поступают к конкретному ярусу лопастей мешалки, активно перемешиваются, азатем опускаются к расположенному ниже ярусу лопастей. Тем самым смешивание частиц лопастями данного яруса прекратилось. Таким образом, в виду особенности конструкции смесительного устройства реальное время смешивания прекращается в момент времени Т`. Далее отсчитывается лишь мнимое время смешивания. Поступление частиц на новый ярус лопастей требует нового отсчета времени от «0» до «Т`», но для следующего графика например, после 1 будет 2 и т.д..Анализ полученных графиков позволяет установить, что на каждом последующем ярусе прирост равномерности снижается ввиду повышения исходной равномерности смеси и постоянства коэффициента интенсивности перемешивания k. При изменении частоты вращения мешалки, значения коэффициента k выше рис.5, что способствует более быстрому улучшению качества смеси. Числовые значения описываются выражением:k[19,8459·5,8165·dk20,4617·dk0,5)4,17576·20,48370··dk]
·0,000753·Re0,23107·Fr· 0,0060367. (10)
Рисунок 4 Результаты моделирования равномерности смешивания пятиступенчатым рабочим органом при частоте вращения мешалки 1500 мин1
Однако,моделирование, соответствующее рис.4 недостаточно эффективно. Гораздо рациональнее осуществлятьне поочередное определение равномерности смеси на каждой ступени, а ввиду одинаковой функциональности интенсивности перемешивания на всех ярусах лопастей, использовать увеличение времени смешивания умножением на количество ярусов лопастей мешалки. Результаты подобного моделирования равномерности смеси представлены на рис.6. Коэффициент корреляции опытных [12] и расчетных значений по модели:R0,98260. Результаты Fтеста составляют: 0,923422.Таким образом, математическая модель, построенная на основе выше указанных зависимостейс учетом коэффициента интенсивности перемешивания, позволяет определять качество смешения с достаточной точностью. Погрешность не превышает 7%.
Рисунок 5 Влияние доли контрольного компонента dk% и числа ярусов лопастей ZRшт. на коэффициент интенсивности перемешивания k
Рисунок 6 Результаты моделирования равномерности смешивания при частоте вращения мешалки 1000 мин1в зависимости от доли контрольного компонента dk% и числа ярусов лопастей мешалки ZRшт.
Ссылки на источники1.Карпушкин, С.В. Расчеты и выбор перемешивающих устройств вертикальных емкостных аппаратов / С.В.Карпушкин, Краснянский М.Н., Борисенко А.Б. Тамбов: издво ТГТУ, 2009. 168 с.2.Коновалов, В.В. Теоретическое обоснование основных конструктивных и режимных параметров смесителя кормов периодического действия/ В.В. Коновалов, А.В. Чупшев / Научно технический прогресс в сельскохозяйственном производстве/ материалы Международной научнопрактической конференции. Минск: НПЦ НАН Беларуси по мех. с/х, 2011. Т.2. С.148153.3.Чупшев, А.В. Экспериментальные исследования смесителя кормов / А.В. Чупшев, В.В. Коновалов, С.В. Гусев // Нива Поволжья. 2008.
№2. С. 6975.4.Чупшев, А.В. Влияние технологических параметров на показатели работы смесителя микродобавок / А.В. Чупшев, В.В. Коновалов // Нива Поволжья. 2009.
№2. С. 7681.5.Чупшев, А.В. Влияние диаметра лопастей и их числа на неравномерность смеси и энергоемкость смешивания/ А.В. Чупшев, В.В. Коновалов, В.П. Терюшков // Вестник ФГОУ ВПО "МГАУ им. В.П. Горячкина". 2008.
№2. С. 132133.6.Коновалов, В.В. Спиральновинтовой смесительконвейер / В.В. Коновалов, А.С. Фомин, А.В. Чупшев, В.П. Терюшков // Сельский механизатор. 2012.
№7. С. 7.7.Коновалов, В.В. Аналитическое определение параметров лопастных смесителей для турбулентного перемешивания сухих смесей/ В.В. Коновалов, А.В. Чупшев, В.П. Терюшков, Г.В. Шабурова / Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. 2012.
№1. С. 135.8.Кухарев О.Н., Гришин Г.Е., Семов И.Н. Теоретическое обоснование барабанного дражиратора с вращающимся дном // Нива Поволжья №126 , 2013. С. 5155.9.Чупшев, А.В. Результаты гидродинамического моделирования работы смесителя/ А.В. Чупшев, В.В. Коновалов, В.П.Терюшков / Повышение эффективности использования ресурсов при производстве с/х продукции новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства. Сборник научных докладов XVI Международной научнопрактической конференции Тамбов: изд. Першина РВ, 2011. С.626410.Чупшев, А.В. Характер взаимодействия лопастей мешалки смесителя с перемешиваемым материалом / А.В. Чупшев, В.В. Коновалов, В.П. Терюшков/ Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания. Материалы V международной научнопрактической конференции Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2011. Т.1
С.6569.11.Стукалкин Ф.Г. Исследование кормосмесителей непрерывного действия и методика их расчета: Автореф. дис…канд.тех.наук. /Ф.Г. Стукалкин. ЛенинградПушкин, 1965. 21 с.12.Коновалов,В.В. Моделирование изменения равномерности смеси при ступенчатом смешивании / В.В. Коновалов, А.В. Чупшев, М.В. Фомина, А.С. Калиганов // Нива Поволжья. 2013. №3 28 С. 7782.
Maria Fomina,graduate student "Penza State Agricultural Academy", Penzatopstar11@mail.ruKaliganov Alexey,graduate student "Penza State Agricultural Academy", Penzasvet.ooo@mail.ruChupshev Alexey,Candidate . tehn. Science , Art. teacher "Penza State Agricultural Academy", Penzachupschevav@mail.ruTeryushkov Vyacheslav,Candidate . tehn. Sciences, Associate "Penza State Agricultural Academy", Penzatvp141@mail.ruINFLUENCE FACTOR MIXING INTENSITY ON THEDESIGN OF CONTINUOUSMIXERSThe results of analytical studies and computer simulations of the impact factor of the mixing intensity on the quality of the prepared mixture in sequential arrangement of several working bodies.Keywords:uniform mixture, the intensity of mixing, mixer, mixing length, the quality of the mixture.
Калиганов Алексей Сергеевич,аспирант ФГБОУ ВПО «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия», г. Пензаsvet.ooo@mail.ru
Чупшев Алексей Владимирович,канд. техн. наук, ст. преподаватель ФГБОУ ВПО «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия», г. Пензаchupschevav@mail.ru
Терюшков Вячеслав Петрович,канд. техн. наук, доцент ФГБОУ ВПО «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия», г. Пензаtvp141@mail.ru
Влияние коэффициента интенсивности перемешивания конструкцию смесителя непрерывного действия
Аннотация. Представлены результаты аналитических исследований и компьютерного моделирования влияния коэффициента интенсивности перемешивания на качества приготавливаемой смеси при последовательном расположении нескольких рабочих органов.Ключевые слова:равномерность смеси, интенсивность перемешивания, смеситель, длительность смешивания, качество смеси.
Для получения смесей используется такой технологический процесс как смешение компонентов.Учитываяразличиятребований к качеству смеси и завершенности смесеобразованиякак процесса, а также вероятность случайногораспределения частиц всыпучих смесях по всемуобщемуобъему, данный процесс весьма сложно описать теоретически, а поэтому онизучен недостаточно. Применительно к приготовлениюкормов первостепенноевнимание уделяется выявлению затрачиваемоймощности и производительности устройства [1,2], обоснованию отдельных рациональных конструктивнорежимных параметров устройствас учетом специфики конструкции смесителя и т.д. [3…10]Обобщенное теоретическое описание показателя качества процесса смешивания на данный момент отсутствует. Согласно рекомендациям ряда авторов [11],процесс смешивания может описываться по аналогии с процессом диффузиипоказательной функцией. Согласно этой аналогии, для описания равномерности смеси справедливо уравнение:= 1 еkT. (1)где k эмпирический коэффициент интенсивности перемешивания; Т длительность смешивания материала[9], с:. (2)где М масса материала смеси постоянно находящаяся внутри смесителя, кг; Q производительность смесителя непрерывного действия повыгрузке, кг/с.При этом из анализа работы смесителей [2…10] видно рис.1, что при поступлениикомпонентовсмеси с исходным качеством смеси Нв смесители с различными типами рабочих органов, а соответственно с разными коэффициентами интенсивности перемешивания k, изменение качества смеси будет происходить по разному: 1T и 2(T).Потребное качество смеси Кдостигнет через промежуток времени:ТС1ТКТН, ТС2=tКtН,
(3)где Тни tнусловное время смешивания,соответствующее промежутку времени до начала перемешивания, для достижения равномерности смеси, соответствующей качеству смеси Нна началоперемешиваниякомпонентов в смесителе.с.
Рисунок 1 Влияние длительности смешивания Т с на изменение равномерности смешивания (0,01%) Чем положе график функции, тем больше времени надобно на достижение потребного качества смеси. Учитывая, что энергоемкость перемешивания в различных смесителях различна, соответственно затраты энергии будут разными. При этом, как правило, больший коэффициент интенсивности перешивания требует большей энергоемкости. С целью оптимизации процесса смешивания с энергетической точки зрения требуется использовать последовательное расположение рабочих органов с разными величинами коэффициента перемешивания, причем только их правильное сочетание позволит уменьшить суммарные затраты энергии на процесс.В процессе оптимизации смешивания требуется решать две задачи.1. Если изначально имеется уровень смешивания Н, то каков будет уровень смешивания К черезвремя Т=TC?Условное время до начала смешивания определится. (4)В таком случае, качество смеси через промежуток времени ТС составит:. (5)2. Если изначально имеется уровень смешивания Н, а через некое время ТTCбудет уровень смешивания К, то сколько времени потребуется на данное изменение качества смеси?Согласно рисунка 1:
, . (6)Тогда . (7)Равномерность смеси К достигается через время, (8)где . (9)Осуществив компьютерное моделирование, произвели проверку полученных выражений рис.2, что позволяет использовать полученные результаты в последующем моделировании процессов.абРисунок 2 График показательной функции при отсутствии поправок (а) и при их наличии (б) на начальное качество смеси и время условного смешивания
Используя указанные выражения, было осуществлено моделирование смешивания сухих концентрированных кормов в смесителе непрерывного действия [12], представленном на рис.3. Одновременно с непрерывной загрузкой ингредиентов смеси в нижней части смесителя осуществляется выгрузка приготовленной смеси через выгрузное отверстие. Длительность перемешивания внутри смесителя регулируется заслонкой, перекрывающей выгрузное отверстие смесителя и обеспечивающей расположение лопастной мешалки под слоем перемешиваемого материала. В зависимости от количества ярусов лопастей мешалки время смешивания будет различным.
Рисунок 3Схема смесительного устройства:1 подшипниковая опора верхняя; 2 емкость смесителя; 3 вал; 4 лопасть мешалки; 5 втулка крепежная мешалки; 6 подшипниковая опора нижняя; 7 материал смеси
В результате компьютерного моделирования получены графики изменения качества смеси равномерности смеси , 0,01% в зависимости от длительности перемешивания Т, с. За промежуток времени от «0» до «Т`» частицы материала поступают к конкретному ярусу лопастей мешалки, активно перемешиваются, азатем опускаются к расположенному ниже ярусу лопастей. Тем самым смешивание частиц лопастями данного яруса прекратилось. Таким образом, в виду особенности конструкции смесительного устройства реальное время смешивания прекращается в момент времени Т`. Далее отсчитывается лишь мнимое время смешивания. Поступление частиц на новый ярус лопастей требует нового отсчета времени от «0» до «Т`», но для следующего графика например, после 1 будет 2 и т.д..Анализ полученных графиков позволяет установить, что на каждом последующем ярусе прирост равномерности снижается ввиду повышения исходной равномерности смеси и постоянства коэффициента интенсивности перемешивания k. При изменении частоты вращения мешалки, значения коэффициента k выше рис.5, что способствует более быстрому улучшению качества смеси. Числовые значения описываются выражением:k[19,8459·5,8165·dk20,4617·dk0,5)4,17576·20,48370··dk]
·0,000753·Re0,23107·Fr· 0,0060367. (10)
Рисунок 4 Результаты моделирования равномерности смешивания пятиступенчатым рабочим органом при частоте вращения мешалки 1500 мин1
Однако,моделирование, соответствующее рис.4 недостаточно эффективно. Гораздо рациональнее осуществлятьне поочередное определение равномерности смеси на каждой ступени, а ввиду одинаковой функциональности интенсивности перемешивания на всех ярусах лопастей, использовать увеличение времени смешивания умножением на количество ярусов лопастей мешалки. Результаты подобного моделирования равномерности смеси представлены на рис.6. Коэффициент корреляции опытных [12] и расчетных значений по модели:R0,98260. Результаты Fтеста составляют: 0,923422.Таким образом, математическая модель, построенная на основе выше указанных зависимостейс учетом коэффициента интенсивности перемешивания, позволяет определять качество смешения с достаточной точностью. Погрешность не превышает 7%.
Рисунок 5 Влияние доли контрольного компонента dk% и числа ярусов лопастей ZRшт. на коэффициент интенсивности перемешивания k
Рисунок 6 Результаты моделирования равномерности смешивания при частоте вращения мешалки 1000 мин1в зависимости от доли контрольного компонента dk% и числа ярусов лопастей мешалки ZRшт.
Ссылки на источники1.Карпушкин, С.В. Расчеты и выбор перемешивающих устройств вертикальных емкостных аппаратов / С.В.Карпушкин, Краснянский М.Н., Борисенко А.Б. Тамбов: издво ТГТУ, 2009. 168 с.2.Коновалов, В.В. Теоретическое обоснование основных конструктивных и режимных параметров смесителя кормов периодического действия/ В.В. Коновалов, А.В. Чупшев / Научно технический прогресс в сельскохозяйственном производстве/ материалы Международной научнопрактической конференции. Минск: НПЦ НАН Беларуси по мех. с/х, 2011. Т.2. С.148153.3.Чупшев, А.В. Экспериментальные исследования смесителя кормов / А.В. Чупшев, В.В. Коновалов, С.В. Гусев // Нива Поволжья. 2008.
№2. С. 6975.4.Чупшев, А.В. Влияние технологических параметров на показатели работы смесителя микродобавок / А.В. Чупшев, В.В. Коновалов // Нива Поволжья. 2009.
№2. С. 7681.5.Чупшев, А.В. Влияние диаметра лопастей и их числа на неравномерность смеси и энергоемкость смешивания/ А.В. Чупшев, В.В. Коновалов, В.П. Терюшков // Вестник ФГОУ ВПО "МГАУ им. В.П. Горячкина". 2008.
№2. С. 132133.6.Коновалов, В.В. Спиральновинтовой смесительконвейер / В.В. Коновалов, А.С. Фомин, А.В. Чупшев, В.П. Терюшков // Сельский механизатор. 2012.
№7. С. 7.7.Коновалов, В.В. Аналитическое определение параметров лопастных смесителей для турбулентного перемешивания сухих смесей/ В.В. Коновалов, А.В. Чупшев, В.П. Терюшков, Г.В. Шабурова / Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. 2012.
№1. С. 135.8.Кухарев О.Н., Гришин Г.Е., Семов И.Н. Теоретическое обоснование барабанного дражиратора с вращающимся дном // Нива Поволжья №126 , 2013. С. 5155.9.Чупшев, А.В. Результаты гидродинамического моделирования работы смесителя/ А.В. Чупшев, В.В. Коновалов, В.П.Терюшков / Повышение эффективности использования ресурсов при производстве с/х продукции новые технологии и техника нового поколения для растениеводства и животноводства. Сборник научных докладов XVI Международной научнопрактической конференции Тамбов: изд. Першина РВ, 2011. С.626410.Чупшев, А.В. Характер взаимодействия лопастей мешалки смесителя с перемешиваемым материалом / А.В. Чупшев, В.В. Коновалов, В.П. Терюшков/ Современное состояние и перспективы развития пищевой промышленности и общественного питания. Материалы V международной научнопрактической конференции Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2011. Т.1
С.6569.11.Стукалкин Ф.Г. Исследование кормосмесителей непрерывного действия и методика их расчета: Автореф. дис…канд.тех.наук. /Ф.Г. Стукалкин. ЛенинградПушкин, 1965. 21 с.12.Коновалов,В.В. Моделирование изменения равномерности смеси при ступенчатом смешивании / В.В. Коновалов, А.В. Чупшев, М.В. Фомина, А.С. Калиганов // Нива Поволжья. 2013. №3 28 С. 7782.
Maria Fomina,graduate student "Penza State Agricultural Academy", Penzatopstar11@mail.ruKaliganov Alexey,graduate student "Penza State Agricultural Academy", Penzasvet.ooo@mail.ruChupshev Alexey,Candidate . tehn. Science , Art. teacher "Penza State Agricultural Academy", Penzachupschevav@mail.ruTeryushkov Vyacheslav,Candidate . tehn. Sciences, Associate "Penza State Agricultural Academy", Penzatvp141@mail.ruINFLUENCE FACTOR MIXING INTENSITY ON THEDESIGN OF CONTINUOUSMIXERSThe results of analytical studies and computer simulations of the impact factor of the mixing intensity on the quality of the prepared mixture in sequential arrangement of several working bodies.Keywords:uniform mixture, the intensity of mixing, mixer, mixing length, the quality of the mixture.
