CC BY
44
621.929.7
НОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ВИБРАЦИОННЫХ СМЕСИТЕЛЕЙ ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА СМЕШИВАНИЯ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ КОМБИНИРОВАННЫХ ПРОДУКТОВ
В.Н. ИВАНЕЦ, Г.Е. ИВАНЕЦ
Кемеровский технологический институт пищевой промышленности
Стратегия развития пищевой промышленности в ближайшие годы предусматривает, что научные исследования должны быть направлены на создание принципиально новых, энергетически выгодных технологий, обеспечивающих комплексную безотходную переработку сырья и производство экологически безопасных продуктов питания с учетом потребностей различных возрастных групп и состояния здоровья населения. При производстве комбинированных продуктов одной из основных проблем является равномерное распределение по всему объему смеси различных добавок, вносимых обычно в небольших количествах (витамины, биологически активные вещества, стабилизаторы, ароматизаторы и т. п.). Поэтому разработка современной технологии смешивания сухих комбинированных продуктов питания является актуальной задачей, от решения которой во многом зависит качество конечного продукта.
Процесс смешивания можно интенсифицировать за счет использования низкочастотных, упругих колебаний. При этом значительно уменьшаются силы взаимодействия между частицами смешиваемых компонентов и они переходят в так называемое виброкипящее состояние. Такой подход позволяет сократить время смешивания и снизить энергоемкость процесса. Кроме того, нами использовано такое мощное средство интенсификации процесса, как рециркуляция. Применение виброкипящего слоя и рециркуляции позволяет организовать в смесителях непрерывного действия СНД вибрационного типа интенсивное движение материальных потоков.
В статье рассматриваются основные конструкции вибрационных СНД, разработанные в лаборатории смешения и дозирования кафедры процессов и аппаратов КемТИПП за последние 20 лет. Их техническая новизна защищена более чем 15 авторскими свидетельствами и патентами. Это вертикально-вибрационные смесители ВВС для проведения процесса смешивания в разреженных слоях с направленной организацией движения материальных потоков, которые для обеспечения высокой производительности СНД, при относительно малом объеме камеры смешения, состоят из отдельных секций (ячеек) непрерывного действия с высокой интенсивностью процесса в каждой из них. Аппараты обладают высокой накопительной и сглаживающей способностью, в первую очередь, за счет рециркуляции, что позволяет включать в состав смесительного агрегата дозаторы объемного
типа. В прямоточном вибрационном смесителе [1] перемешивающий орган состоит из вертикального штока 1 с укрепленным на нем пакетом вибрирующих конусообразных перфорированных тарелок 2, направленных расширяющейся частью вверх. Для загрузки камеры на крышке 3 имеются штуцера 4, через которые смешиваемые компоненты попадают на верхнюю тарелку рабочего органа, виброактивируются и просеиваются через перфорацию. Проходя через ряд вибрирующих тарелок, сырье тщательно перемешивается. Выгрузка готового продукта осуществляется через патрубок 5, расположенный в центре днища 6. Для получения композиции хорошего качества обычно достаточно 5-7 тарелок с диаметром отверстий 3-5 мм. Даже при отличии насыпных весов перерабатываемых компонентов в 7-9 раз получается смесь хорошего качества с коэффициентом неоднородности 6-7%.
Рис. 1
Однако попадание в камеру конгломератов из частиц или их образование на тарелках (при введении жидких добавок) размером большим, чем диаметр отверстий, исключает, как правило, их дальнейшее продвижение. Это вызывает необходи-
мость периодическом остановки аппарата для очистки. Кроме того, смеситель является малоинерционным и его сглаживающая способность ограничена.
Частично устранить недостатки и интенсифицировать процесс в СНД подобного типа позволило использование тарелок криволинейной вогнутой формы с различной перфорацией, причем отношение диаметров больших и малых отверстий равно 2 [2]. Просеивание через отверстия большего диаметра происходит быстрее, создавая опережающий поток. Частицы, проходящие через отверстия меньшего диаметра, будут догонять опережающий поток, накладываясь на него. В результате продольное перемешивание значительно улучшится. Ингредиенты, последовательно проходя через элементы рабочего органа / (рис. 2), тщательно перемешиваются и выводятся из корпуса 2 через разгрузочный штуцер 3, расположенный в центре днища 4. На тарелках, в силу их кривизны, циркуляционные потоки охватывают больший объем материала, чем в конических, увеличивая активную зону и тем самым повышая качество готового продукта.
Рис. 2
Вибросмешение дисперсной среды можно дополнительно интенсифицировать, используя такой эффективный метод, как рециркуляция — многократный или частичный возврат потока веществ в процесс. Он нашел отражение в аппарате [3], что позволило увеличить сглаживающую способность и во многом устранить недостатки предыдущей конструкции. Рециркуляция создается шнековым питателем, который подхватывает готовый продукт, накапливающийся в коническом днище аппарата, и перемещает его вверх. При этом проис-
ходит дополнительное усреднение. Применение рециркуляции позволяет улучшить качество композиции, уменьшает в ней количество конгломератов из частиц, повышает интенсивность процесса смешивания.
На базе этой конструкции был разработан более совершенный вертикально-вибрационный СНД [4], в котором за счет дополнительного перемешивания и направленной рециркуляции улучшается качество конечного продукта и в значительной мере предотвращается попадание в него конгломератов. Однако нужно отметить, что несмотря на привлекательность идей, заложенных в данной конструкции, она сложна в изготовлении.
Значительным шагом в разработке новых эффективных вибрационных смесителей стали предложенные нами оригинальные конструкции прямоточных ВВС [5-8], в которых перемешивающее устройство выполнено в виде винтового перфорированного желоба. Рециркуляция в них обеспечивается движением меньшей части дисперсной фазы по виткам рабочего органа, создавая эффект запаздывания. Эксперименты показывают, что эти аппараты позволяют получать в ряде случаев композиции хорошего качества из хорошо сыпучих ингредиентов с близкими насыпными весами при их соотношении до 1:50. Одна из этих конструкций изображена на рис. 3 [7].
Рис. 3
Компоненты, подаваемые на верхний элемент рабочего органа 1 через патрубок 2, участвуют в сложном движении и вибросмешиваются. Основная часть смеси просеивается через перфорацию на нижележащий виток и далее, рециркулирующая часть перемещается по желобу. Принцип движения материала по перемешивающему органу заключается в том, что каждая частица, получив толчок под определенным углом от вибрирующего желоба (он равен углу установки направляющих и больше угла подъема витков), некоторое время находится в полете по направлению винтовой поверхности. За это время желоб возвращается в исходное положение и частица получает следующий толчок и т. д. Под действием таких направ-
-ч:-С
О':
4:11
Пйр
:.Сг
уг-т
'и
и. и: 'ли Дш
1
лунных колебаний дисперсный слой непрерывно движется, например, вверх по его поверхности.
Изменяя параметры вибрации — амплитуду, частоту, угол ускорения, можно регулировать соотношение этих потоков. Данный режим за счет высокой сглаживающей способности смесителя имеет предпочтение при его совместной работе с питателями, допускающими значительные флуктуации при дозировании. Однако здесь появляется недостаток — возможность неравномерного распределения загрузки по виткам. При движении дисперсного слоя под действием вибрации по поверхности рабочего органа аппарат обладает в несколько раз большей производительностью, нежели в предыдущем случае, при тех же габаритах, но в значительной мере уменьшает свою сглаживающую способность. Такой режим целесообразно применять для переработки материалов с близкими физико-механическими свойствами, например, несколько сортов муки, цемент-доломит и т. п. Это согласуется с теоретическими выкладками [9, 10] и подтверждено экспериментально.
z
Рис. 4
В КемТИПП разработаны также конструкции СНД вибрационного типа с совмещением в одном аппарате внешнего и внутреннего рециклов [11, 12]. На внутренней поверхности корпуса смесителя (рис. 4) закреплен перемешивающий орган в виде винтового перфорированного желоба /, на верхнем витке которого установлен отсекатель 2 с возможностью поворота вокруг своей оси. Исходные компоненты подаются в нижнюю часть на первый виток желоба и под действием вибрации движутся потоком вверх, одновременно просыпаясь через перфорацию на нижележащий виток, образуя контур внутреннего рецикла. Отсекатель, установленный на верхнем витке, разделяет поток на две части. Одна направляется на выход из аппарата, а другая сбрасывается вниз на дно корпуса, образуя при этом контур внешнего рецикла. Таким образом, с помощью отсекателя можно регулировать соотношение этих потоков. Высота виброкипящего слоя материала на витках перемеши-
вающего органа определяется параметрами вибраций, производительностью дозирующего оборудования и положением отсекателя. Если последний полностью перекрывает выходной патрубок 3, то весь поток смеси направится в нижнюю часть аппарата и он будет работать как смеситель периодического действия. Последние две конструкции обладают по сравнению с предыдущими большей универсальностью при переработке ингредиентов с резко различными физико-механическими характеристиками, в том числе увлажненных.
С целью улучшения качества готового продукта конструкции [11, 12] были усовершенствованы. Прямоугольная форма перфорированной лопасти была заменена полусферической. Такая замена позволила создать однородный виброкипящий слой во всем объеме смеси, находящейся на лопасти. Это объясняется тем, что под виброкипящим слоем в результате его '’насосного” действия образуется вакуум, куда засасывается воздух путем фильтрации его через слой и в большей степени вдоль стенок лопасти, где частицы, вследствие трения о стенки, движутся менее интенсивно. Поэтому часть объема слоя, находящаяся в месте соприкосновения лопасти с корпусом и загрузочным бункером смесителя, приводится только в виброожиженное, а не виброкипящее состояние. При изменении профиля спиральной перфорированной лопасти с прямоугольного.на полусферический в силу кривизны поверхности последней практически весь объем материала, находящийся на ней, вовлекается в интенсивное циркуляционное движение, создавая виброкипящий слой одинаковой интенсивности. Кроме того, на периферии полусферической лопасти выполнена дополнительная перфорация в виде ряда отверстий небольшого диаметра (2--3 мм). Назначение этих отверстий — только подвод воздуха для заполнения вакуума, образующегося под виброкипящим слоем. Для предотвращения возможного изменения высоты виброкипящего слоя (обусловленного погрешностями в работе дозирующих устройств и привода смесителя) на уровне его расположения на периферии лопасти находится ряд отверстий. Их назначение — отвод на нижнюю лопасть некоторого количества материала из виброкипящего слоя с целью стабилизации его высоты на уровне расчетной. По опытным данным, для создания виброкипящего слоя мелкозернистыми и порошкообразными материалами диаметр отверстий в днище лопасти должен быть 8—10 мм, а на периферии — 16-20 мм. С целью выравнивания времени пребывания отдельных объемов смеси внутри аппарата нами разработана конструкция вибрационного смесителя, в которой на днище загрузочного цилиндра, соосно с ним, установлена вставка в виде тела вращения. Эксперименты, проведенные на опытном образце смесителя, показали, что наличие вставки позволяет избежать образования застойной зоны и организовать дополнительный, регулируемый заслонкой, коцз-ур рециркуляции смешиваемых материалов в пространстве между вставкой и внутренней поверхнВЭ>кмшлиндриче-
ИЗВЕ
ского загрузочного бункера. С помощью корреляционного анализа созданы математические модели различных схем движения материальных потоков в смесителе. Их анализ позволил выявить наиболее рациональные [13]. С использованием математического аппарата теории автоматического регулирования получены модели типа дозатор—смеситель, позволяющие провести частотно-временной анализ смесительного агрегата. На основе полученных данных предложен алгоритм расчета СНД вибрационного типа.
ВЫВОДЫ
Разработанные новые конструкции вертикально-вибрационных СНД отличаются высокой инерционностью, сравнительно низкими энергозатратами на проведение процесса и его высокой интенсивностью. В этих аппаратах в тонком (20-50 мм) гетерогенном слое с помощью вибрации одновременно организованы процессы смешения, перемещения и просеивания, что способствует снижению влияния сегрегации на качество готового продукта. Выполнение перемешивающего органа в виде перфорированного желоба различной формы дает, возможность уменьшить габариты аппарата и организовать в нем контуры рециркуляции. Это позволяет значительно расширить диапазон перерабатываемых сыпучих материалов. Ряд рассмотренных нами конструкций СНД вибрационного типа использован при разработке аппаратурного оформления стадии непрерывного смешивания при производстве сухих молочных смесей, витаминизации муки, комбикормов.
ЛИТЕРАТУРА
1. A.c. 655419 СССР. Вибрационный смеситель / В.Н. Ива-цец, В.А. Плотников. — Опубл. в Б.И. — 1979. — № 13.
2. A.c. 1558.449 СССР. Вибрационный смеситель / Г.Е. Ива-нец, Ю.Й. Макаров и др. — Опубл. в Б.И. — 1990. — №
' 15.
3. A.c. 919720 СССР. Вибрационный смеситель / В.Н. Ива-нец, В.А. Плотников, А.Т. Еремин и др. — Опубл. в Б.И.
— 1982. — Лг9 14.
4. A.c. 1115790 СССР. Вибрационный смеситель / A.C. Курочкин, В.Н. Иванец и др. — Опубл. в Б.И.1984. — № 36.
5. A.c. 1105220 СССР. Вибрационный смеситель / Г.С. Су-леин. — Опубл. в Б.И. — 1984. — № 28.
6. A.c. 1472110 СССР. Вибрационный смеситель / Г.С. Су-леин, Г.Е. Иванец. — Опубл. в Б.И. — 1989. — № 14.
7. A.c. 1674943 СССР. Вибрационный смеситель / А.Б. Шуш-панников, В.Н. Иванец и др. — Опубл. в Б.И. — 1991. — № 33.
8. A.c. 1793956 СССР. Вибрационный смеситель / А.Б. Шуш-панников, В.Н. Иванец, В.Л. Шенер и др. — Опубл. в Б.И.
— 1993, — №5.
9. Прогнозирование качества смеси в вибрационном смесителе с рециклом / Г-Е. Иванец, Ю.А. Коршиков и др. / Интенсификация процессов механической переработки сыпучих материалов. — Иваново: ИХТИ, 1987. — С. 6-10.
10. Шушпанников А.Б., Иванец Г.Е. Моделирование процесса смешивания сыпучих материалов в вибрационных смесителях непрерывного действия / / Весгн. Междунар. академии холода. Вып. 2. — Спб.; М., 1999.
11. A.c. 1499831 СССР. Вибрационный смеситель / Г.Е. Иванец, Ю.И.Макаров и др. — 1989 (ДСП).
12. A.c. 1105220 СССР. Вибрационный смеситель / А.Б. Шушпанников, В.Н. Иванец, А.Г. Пимаков. — 1992 (ДСП).
13. Иванец Г.Е., Баканов М.В., Матвеев Ю.А. Использование корреляционных функций для математического анализа процесса смешивания дисперсных материалов. — Деп. в ВИНИТИ, 15.03.2000, № 664-1300.
?
Кафедра процессов и аппаратов пищевых производств
Поступила 28.07.2000 г.
ческ!
ниел
где
д
рова
щей
nepq
cKid
npoij
В|
CM01
СТ01<
сыва
пад,
дР/
сосл
пад
где
„ , , 663.916.1:539.214
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПЛАСТИЧНОСТИ КОНФЕТНЫХ МАСС НА ПЕРЕПАД ДАВЛЕНИЯ В ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ КАНАЛЕ, ИМЕЮЩЕМ ВХОДНОЙ КРИВОЛИНЕЙНЫЙ ■ КОНИЧЕСКИЙ ПРОФИЛЬ
Г.О. МАГОМЕДОВ, A.A. ЖУРАВЛЕВ,
В.Н. КОЛОДЕЖНОВ
Воронежская государственная технологическая академия
Рассматривая выпрессовывание конфетных масс, относящихся к неньютоновским средам, по коротким цилиндрическим каналам формующих матриц, следует отметить, что участку установившегося течения материала всегда предшествует участок входного сечения, на котором происходит формирование потока, т. е. трансформация эпюры скоростей от прямоугольной формы до формы, соответствующей установившемуся режиму течения [1, 2].
Исследования [1,2] показали, что процесс формирования потока материала, проходящего через формующий канал, зависит от условий входа в него, т.е. от формы входного сечения — конической, цилиндрической и др.
Установлено, что вблизи входного сечения канала формующей матрицы в выпрессовываемом
материале возникают большие деформации, а вдоль оси канала градиент скорости является переменной величиной.
Указанные обстоятельства приводят к неустойчивому истечению потока материала из канала формующей матрицы, которое сопровождается различными дефектами на поверхности материала (’’матовость”, ’’акулья кожа”, ’’винт” и др.). Кроме поверхностных дефектов формование также может сопровождаться разрушением структуры материала (вследствие больших деформаций), для восстановления которой требуется создание определенных условий (выстойка в специальных камерах с заданной температурой и продолжительностью).
Для повышения устойчивости формования конфетных масс, относящихся к неньютоновским средам, через цилиндрические каналы [1] входной участок формующего канала должен иметь криволинейный конический профиль, обеспечивающий постоянство градиента скорости вдоль его оси (рис. 1). Профиль такого входного участка в цилиндри-
Р<
1),
поте
ДЛИ!
(2)
