Исследование процессов смешивания сыпучих компонентов с жидкостью при их порционном внесении Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.65

В.Г. Мохнаткин, д-р техн. наук, профессор; А.С. Филинков, канд. техн. наук, доцент; П.Н. Солонщиков, аспирант, ФГБОУ ВПО Вятская ГСХА, г. Киров, Россия

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СМЕШИВАНИЯ СЫПУЧИХ КОМПОНЕНТОВС ЖИДКОСТЬЮ ПРИ ИХ ПОРЦИОННОМ ВНЕСЕНИИ

В результате смешивания первоначально находящиеся раздельно компоненты после равномерного распределения каждого из них в смешиваемом объеме материала образуют однородную смесь [1]. В нашем случае сыпучий компонент с жидкостью образует смесь, называемую суспензией.

Оценка стабильности суспензий любого состава включает в себя несколько этапов [1,2]. Сначала отбираются и взвешиваются в заданном количестве компоненты для получения суспензии. Проба суспензии непосредственно после приготовления заливается в стеклянный градуированный цилиндр либо прозрачный стакан, высота столба пробы замеряется. Далее фиксируются все наблюдаемые изменения с течением времени.

На практике принято определять несколько характеристик стабильности:

- стабильность до появления каких-либо визуальных изменений в составе пробы суспензии;

- стабильность к седиментации - накоплению высоко- или низкоконцентрированного осадка или отстоя в пробе, выраженного в процентном отношении к первоначальной высоте столба пробы;

- стабильность к флокуляции - слипанию частиц составляющих ингредиентов и образованию капель;

- стабильность к коалесценции - полному разделению среды на составляющие фазы.

При определении влияния конструктивных параметров на качество получаемых смесей в качестве критериев оптимизации принимаем стабильность к коалесценции (полное разделение среды на составляющие фазы) Тк, ч и полную стабильность (до появления каких-либо визуально наблюдаемых изменений в составе пробы) Тс, с.

Данные показатели характеризуют интен-

сивность воздействия активных и пассивных рабочих органов устройства ввода и смешивания на перекачиваемую среду.

Для определения эффективности работы устройства как растворителя молочных продуктов использовали экспресс-метод - показатель полноты растворения (ППР). Используя данный показатель, можно изучить динамику процесса растворения в зависимости от различных параметров технологических режимов [3].

Для изучения процессов смешивания в устройстве для приготовления смесей [4] проводили исследовали в 2-х режимах: по проточной и циркуляционной схемам (рис. 1).

При работе по проточной схеме: первоначально краны 4,5 закрывают, а краны 2,3 открывают. В загрузочную камеру 1 засыпают сыпучие компоненты, и после запуска электродвигателя открывают кран 5. Полученная смесь поступает в бак 7.

При работе по циркуляционной схеме кран 3 закрыт, а краны 2,4 открыты. Соответственно, при открытии крана 5 вода начинает двигаться по замкнутому контуру. По прошествии некоторого времени, готовую смесь перекачивают в бак 7, закрыв кран 4 и открыв кран 3.

При работе по циркуляционной схеме и порционном внесении сыпучих компонентов в жидкость, полученная смесь должна пройти определенное количество циклов через устройство, то есть механическое воздействие осуществляется за определенное время. Поэтому при исследовании в качестве факторов было выбрано время приготовления смеси (циркуляции) и частота вращения вала рабочего колеса.

1 - смесительная установка; 2,3,4,5 - шаровые краны; 6 - бак с водой;

7 - бак с готовой смесью; 8 - мультгшетрОМК-20; 9 - частотный преобразователь;

10 - тахометр; 11,12 - термометры Рис. 1. Схема стенда для испытаний устройства для приготовления смесей

На первом этапе были проведены однофакторные эксперименты по определению стабильности смеси (рис.2).

-Т

тс

- 750 мин

-----*---------1000 мин

1500 мин1 ------------

I750 мин

— г

— 1250 мин 1

Рис. 2. Зависимость полной стабильности?^ и стабильности к коалссснции7к от времени приготовления (0 при различной частоте вращения валарабочегоколеса (п)

Из рисунка 2 видно, что стабильность к колаесенцииТк увеличивается в зависимости от времени. При частоте вращения выше 1500 мин-1 стабильность падает, что связано с попаданием воздуха в систему.

Полная стабильность при частотах вращения 1500 и 1750 мин" начинает падать, данное обстоятельство связано с попаданием воздуха в смесь, тем самым смесь быстро достигает своего равновесного состояния из-за наличия пузырьков воды.

С целью подтверждения и уточнения полученных результатов проведены двухфакторные эксперименты, в качестве варьируемых факторов выступали время приготовления смеси ^ и частота вращения вала рабочего колеса п. План эксперимента на шестиугольнике, уровни варьирования факторов и значения критериев оптимизации представлены в таблице 1.

Таблица 1

План эксперимента, уровни варьирования факторов и значения критериев оптимизации по определению стабильности смеси (план на шестиугольнике)

№ опыта Фактор х1 Фактор х2 Критерии оптимизации

У1 У2

Время приготовления і Частота вращения вала рабочего колеса п Стабильность к коалесенции Тк, ч Полная стабильность, Тс, с

уровень численное значение, -1 мин уровень численное значение, мин

1 -1 0,5 0 1250 79,8 28,08

2 +1 2,5 0 1250 88,08 35,79

3 +0,5 2 +0,866 1750 99,4 42,44

4 +0,5 2 -0,866 750 85 47,6

5 -0,5 1 +0,866 1750 90,08 60,62

6 -0,5 1 -0,866 750 78 42

7 0 1,5 0 1250 70,07 46,11

После реализации опытов, расчета и исключения незначимых коэффициентов регрессии, получили следующие математические модели рабочего процесса:

V, = 70,06 + 5,47 • х, + 7,64 • х2 +

2 1 2 2 , (1)

+13,87 • х2 +19,44 • х22

у2 = 46,11 + 0,47 • х + 3,88• х2 -14,17• х2 -

^2 1 , 2 , 1 .(2)

-13,73 • х • х2 + 7,46 • х2

Модели (1 и 2) проверены с 5% уровнем значимости на однородность - по критерию Кохрена, значимость оценок коэффициентов регрессии - по критерию Стьюдента и адекватность моделей результатам опытов - по критерию Фишера.

Математические модели (1 и 2) показывают, что наибольшее влияние на стабильность получаемой смеси оказывает время приготовления (Ь2=7,64 и Ь2=3,88).

Анализируя двумерное сечение (рис.3а), можно сделать вывод, что при времени приготовления, ?=2,5 3 мин и частоте вращения

вала рабочего колеса п=1550_1750 мин-1 максимальное значение стабильности к коалесен-цииТк=90 ч.

Наибольшие значения полной стабильности (рис.3б) достигаются при времени приготовления ^=2,8_3мин и частотах вращения вала рабочего колеса п=950_ 1150 мин-1, максимальное значение стабильностиТс=45 с.

а

б

Рис. 3. Двумерные сечения поверхностей отклика для стабильностик к о а л с сце н ц и и / ч (а)

и полной стабильности?7,;, с (б)

При определении показателя полноты таты представлены на рисунке 4. растворения проведена серия опытов, резуль-

0,5 1

----750 мин1 ■

,5 2

-----I ООО мин1

2,5 З I, мин

—&------- 1250 мин4

— 1500 мин1

-В-

— 1750 мин1

Рис. 4. Зависимость показателя полноты растворения (ППР) от времени приготовления (0 при различной частоте вращения вала (и) рабочего колеса

Как видно по графику (рис.4), показатель двухфакторные эксперименты; план экспери-полноты растворения (ППР) будет иметь наи- мента на шестиугольнике, уровни варьирова-менынее значение при увеличении частоты ния факторов и значения критерия оптимиза-вращения вала и при увеличении времени ции представлены в таблице 3. приготовления t.

С целью оптимизации значений показателя полноты растворения (ППР) проведены

Таблица 3

План эксперимента, уровни варьирования факторов и значения критериев оптимизации по определению показателя полноты растворения (план на шестиугольнике)

№ опыта Фактор х} Фактор х2 Критерии оптимизации

Частота вращения вала рабочего колеса п Время приготовления / Показатель полноты растворения ППР,%

уровень численное значение, -1 мин уровень численное значение, мин

У' У" У Уср

1 -1 750 0 2 3,7 3,8 3,6 3,7

2 + 1 1750 0 2 3,1 3,3 2,98 3,1

3 +0,5 1500 +0,866 3 2,1 2,5 2,6 2,4

4 +0,5 1500 -0,866 1 3,5 3,9 4,1 3,8

5 -0,5 1000 +0,866 3 2,89 2,92 2,95 2,92

6 -0,5 1000 -0,866 1 5,1 4,9 5,6 5,2

7 0 1250 0 2 2,78 2,9 2,77 2,81

После реализации опытов, расчета коэффициентов регрессии получили следующую математическую модель рабочего процесса:

у2 = 2,81 - 0,51- х -1,05 • х2 + 0,59 • х1 +

+ 0,52 • Хі • х2 + 0,80 • х2

. (3)

Модель (3) проверена с 5% уровнем значимости на однородность - по критерию Кох-

рена, значимость оценок коэффициентов регрессии - по критерию Стьюдента и адекватность моделей результатам опытов - по критерию Фишера.

Двумерное сечение поверхности отклика модели уі(рис.5) показывает, что при значении /=2,5 мин и частоте вращения п=1400 мин-1 достигли значения ППР=2,6%.

750

950

1150

1350 п. мин

1750

Рис. 5. Двумерные сечения поверхностей отклика для показателя полноты растворения

СППР)

Однородность смеси отражает степень приближения действительного распределения концентрации какого-нибудь компонента в смеси к идеальному распределению.

Количественной характеристикой завершенности процесса смешивания является степень однородности, представляющая собой отношение содержания контрольного компонента в анализируемой пробе к содержанию

того же компонента. Фактором, характеризующим изменение степени однородности, является продолжительность или время смешивания [1], поэтому исследовали зависимость степени однородности от времени приготовления при различных частотах вращения вала рабочего колеса. Результаты представлены на рисунке 6.

— 750 мин' ------*-------1000 мин"1 ------А------ 1250 мин'

------в--------1500 мин1 ------В--------1750 мин1

Рис. 6. Зависимость степени однородности (€>)от времени приготовления (!) при различной частоте вращения вала рабочего колеса (п)

Как видно из полученных результатов, наибольшее значение степени однородности достигается при времени смешивании /=0.5 мин. При дальнейшем увеличении времени смешивания степень однородности будет уменьшаться (явление сегрегации).

Исследования процессов смешивания при порционном внесении компонентов показали, что преобладающее влияние на качество смеси оказывает частота вращения вала рабочего

колеса, а время приготовления не влияет на показатели в значительной степени. Поэтому принимаем время приготовления Р=2 мин, а частоту вращения рабочего колеса, равную синхронной частоте вала электродвигателя /7=1500 мин"1. При этом показатели качества смешивания будут следующие: стабильность к коалесенции77к=87ч, полная стабильно-сть77с=45 с, показатель полноты растворения 77/7Р=2,8% и степень однородности <9=73%.

Литература

1. Мельников С.В. Механизация и автоматизация животноводческих ферм. / - Л.: Колос. Ленингр. отд-е, 1978. - 560 с.,: ил.

2. Лиханов В.А. Применение метаноло - топливных эмульсий в тракторных дизелях / В.А. Лиханов, С.А. Плотников. - Киров: НИИСХ Северо - Востока, 2000. - 96 с.

3. Липатов Н.Н. Восстановленное молоко (теория и практика производства восстановленных молочных продуктов) / Н.Н. Липатов, К.И. Тарасов. - М.: Агропромиздат, 1985. -256 с.

4. Патент на полезную модель 104022 РФ, МПК А23С11/00. Устройство для приготовления смесей / В.Г. Мох-наткин, В.Н. Шулятьев, А.С. Филинков, и др. - №2010152132/10; Заявлено 20.12.2010 // Бюл. 2011. - №13 - 2 с.