Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теоретические и экспериментальные исследования перемешивающей способности вибрационного аппарата. Монография
.pdf
Экспериментальные данные, приведенные в этом разделе, и мате-
max
N
нач
N
кон
N
матическая обработка их подтвердили линейную зависимость мощности от амплитуды и кубическую зависимость от частоты колебаний; это
полностью согласуется с теоретической формулой (6.22), выбранной
для экспериментальной проверки.
6.4.3. Влияние режима вибрации на величину мощности,
передаваемой загрузке
Экспериментальную мощность на колебания смесителя с загрузкой можно условно разделить на мощность, передаваемую непосредственно загрузке, т. е. расходуемую на преодоление сопротивлений, вызванных материалом, и на мощность, расходуемую на колебания пустого корпуса. Величину мощности, передаваемой загрузке, можно считать полезной, идущей непосредственно на перемешивание, так как эта
доля энергии идет на циркуляционное движение и колебания загрузки
в смесителе, что создает условия для ускорения процесса. Мощность на
колебания пустого корпуса при различных режимах вибрации получена
опытным путем.
Значения мощности на смешение картофеля (Nсм) для построения
графиков (рис. 6.11) получены вычитанием из экспериментальных данных
,
,
значений мощности на колебания пустого кор-
пуса при тех же режимах вибрации.
Согласно этим графикам максимальная мощность передается загрузке при оптимальной амплитуде А = 1,44 мм, благодаря чему необходимая влажность состава достигается в наиболее короткий срок. Это
подтверждается кинетическими кривыми (рис. 6.11). Кривые 4, 5, 6
представляют собой изменение мощности, передаваемой загрузке при
различных частотах вибрации и амплитуде А = 1,44 мм. Оптимальность
частоты 50 Гц наблюдается только для конечных значений мощности
(кривая 6). Для других значений мощности этого не наблюдается. Возможно, это объясняется увеличением числа соударений материала
с корпусом при росте частоты, что ведет к увеличению сопротивлений
пропорционально числу соударений. Величина этих сопротивлений
намного больше при сухом трении, чем при жидком трении. Коэффициент жидкого трения значительно снижается с вибрацией [61]. Однако
за счет вязкости перерабатываемого продукта коэффициент внешнего
трения при влажности 60 % имеет максимальное значение.
71
max
N
нач
N
кон
N
max
N
нач
N
кон
N
Рис. 6.11. Зависимость мощности, передаваемой загрузке
от параметров вибрации корпуса для картофеля: 1, 2, 3 –
при различных амплитудах ν = 50 Гц; 4, 5, 6 –
,
,
,
при различных частотах, А = 1,44 мм
По рис. 6.12 оптимальное время сушки уменьшается с ростом частоты: чем больше мощности передается загрузке, тем быстрее наступает минимальное значение влажности. Но выигрыш во времени сушки
при частотах более 50 Гц небольшой по сравнению с частотами до
50 Гц. При этом динамические нагрузки и общая затрата мощности значительно возрастают по сравнению с выигрышем во времени сушки.
Поэтому сушка при частотах больше 50 Гц для данного габарита смесителя нецелесообразно. Это легко доказать расчетным путем по оптимальным значениям критериев П1 и Fr, рекомендуемых кинетикой виброперемешивания. Таким образом, частоту 50 Гц для ВС-10 можно считать оптимальной.
Экспериментальными данными доказано, что наибольшая полезная мощность передается загрузке при оптимальных режимах вибрации, определяемых кинетикой виброперемешивания. Порядок расчета
оптимальных параметров виброперемешивания на основе исследования кинетики этого процесса изложен в работе [54].
,
72
Необходимо отметить, что для данного габарита вибросмесителя
.
mМ
к
р+=
2
(D = 282 мм, L = 186 мм) при оптимальных параметрах вибрации время
выхода мощности на постоянных уровень совпадает со временем установления минимальной влажности. Это подтверждается рис. 6.12,
где приведены совмещенные по времени сушки изменение влажности,
коэффициента внешнего трения и мощности. Для ВС-10 при оптимальных параметрах вибрации, заданных кинетикой виброперемешивания,
приблизительное время сушки можно определять по времени установления постоянной мощности. Проверка этого условия на лабораторных
смесителях других габаритов (ВС-0,4) дала возможность дистанционного контроля готовности порошка по изменению мощности.
Рис. 6.12. Зависимость затрат мощности, коэффициента
внешнего трения и влажности от времени сушки
6.4.4. Влияние жесткости упругих опор вибросмесителя
на мощность, потребляемую им при перемешивании
Величина жесткости упругих опор вибросмесителя определяет
частоту его собственных колебаний (р2). Эта величина входит в формулу мощности на валу смесителя (6.22):
(6.29)
73
Жесткость пружин определяет динамические нагрузки машины.
Анализ теоретической формулы (6.22) указывает на незначительное
влияние жесткости упругих опор на величину потребляемой мощности
при далеко зарезонансном режиме работы вибросмесителя, когда ω2 »
р2. Влияние жесткости упругих опор проверялось при виброперемеши-
вании сушеного картофеля на установке ВС-10 с постоянной частотой
колебаний 50 Гц и амплитудой 1,44 мм. Жесткость пружин изменялась
в пределах 4000–25000 кг/м.
Все опыты, описанные в других разделах работы, были проведены при жесткости упругих опор К2 = 9768 кг/м. Такая жесткость упругих опор предусмотрена паспортом вибросмесителя.
На рис. 6.13 представлены графики изменения мощности перемешивания во времени при различных жесткостях упругих опор. Как
видно из рисунка, расхождения значений мощности незначительны
и находятся в пределах погрешности опыта. Отсутствие закономерности в начальных, максимальных и конечных значениях мощности от
жесткости объясняется незначительным влиянием последнего на величину мощности и наложением случайных погрешностей при проведении отдельных опытов.
Рис. 6.13. Изменение мощности при виброперемешивании картофеля
в вибросмесителе с различной жесткостью упругих опор
74
Исключение составляет участок кривой К2 от 5 до 10 мин. Это
tg
экспр асч
N/N
0
объясняется тем, что опыт при жесткости К2 проводился с остановками
смесителя каждые 3 мин от начала смешения, для отбора проб. Отбор
проб из смесителя связан с некоторыми потерями тепла, что удлиняет
несколько процесс прогрева и установления постоянной заданной температуры материала.
Величина постоянных сопротивлений виброперемешиванию, зависящая от температуры материала, в интервале 5–10 мин несколько
больше при жесткости К2 по сравнению с остальными опытами. Это
связано с изменением коэффициентов внешнего трения и влажности загрузки. Влияние жесткости упругих опор на величину потерь мощности
в вибраторе определялось расчетным путем по формуле (6.2). Результаты расчета при крайних значениях исследованного предела жесткостей различаются менее чем на 1 %. Влияние жесткости упругих опор
на мощность, расходуемую на колебания загруженного корпуса, проверялась также расчетным путем, а затем расчетные значения сравнивались с экспериментальными данными. Расчет производился по формуле
(6.22), а р2 – по формуле (6.29). Мощность (максимальная и начальная)
на колебания загруженного корпуса при различных жесткостях упругих
опор рассчитывалась по формуле (2) (табл. 6.1).
Сравнение расчетных и экспериментальных данных через угловой коэффициент (
) корреляционного графика (
) дает
удовлетворительную сходимость. Коэффициент корреляции составляет 0,9.
С точки зрения инженерных расчетов значение конечной мощности не имеет какого-либо определяющего значения, так как все конструкторские расчеты на прочность и выбор электродвигателя производятся по максимальному (номинальному) значению мощности. Таким
образом, на основании сравнения экспериментальных данных с теоретическими представлениями о влиянии жесткости упругих опор на величину потребляемой мощности можно сделать вывод, что жесткость
упругих опор не влияет на величину мощности, потребляемой вибросмесителем для циркуляции загрузки при работе машины в зарезонансном режиме. При выборе жесткости упругих опор необходимо стремиться к более низким ее значениям, чтобы получить минимальные значения частоты собственных колебаний (
= 2,0÷3,5 Гц [46]).
Последнее способствует более быстрому переходу машины к зарезонансному режиму и значительному снижению усилий в упругих
75
опорах и подшипниках, динамических нагрузок на фундамент машины,
а также уменьшению шума при работе вибросмесителя.
6.4.5. Влияние остаточного давления в вибросмесителе
на величину затрачиваемой мощности
Необходимость изучения этого вопроса диктуется основным
режимным параметром получения пищевого порошка, т. е. пониженным давлением в камере. Влияние остаточного давления исследовалось при получении порошка картофеля при частоте ν = 50 Гц и амплитуде А = 1,44 мм. При этом режиме имеет место циркуляция
массы [3]. Вакуум в смесителе создавался насосом РВН-20. Остаточное давление изменялось в пределах от 5÷10 мм рт. ст. до атмосферного (~750 мм рт. ст.).
Результаты опытов приведены на рис. 6.14. Графики 1–5 показывают изменение мощности в процессе виброперемешивания при различных остаточных давлениях. Начальные участки кривых совпадают,
так как условия перемешивания на этом участке идентичны. На величину мощности, затрачиваемой на циркуляцию готовой смеси, оказывает влияние воздух, имеющийся в смесителе. Увеличение затрат мощности обратно-пропорционально количеству воздуха.
Здесь можно предположить, что воздух играет роль смазки между
корпусом и составом, а также проявляет демпфирующие свойства (воздушная подушка), чем снижает давление при соударениях загрузки
со стенкой корпуса. Это является причиной уменьшения сопротивления
движению материала с увеличением количества воздуха. С уменьшением количества воздуха давление в точках контакта массы со смесителем увеличивается, также увеличивается сцепляемость смеси с корпусом, что ведет к увеличению сил сопротивления и мощности для их
преодоления.
Как известно [69], давление воздуха оказывает значительное влияние на движение материала в вибротранспорте. При подбрасывании
и падении материала воздух, имеющийся в нем, не успевает проходить
через весь слой продукта. Между рабочим органом и материалом образуются соответственно направлению движения загрузки области разрежения и повышения давления. Эта пульсация воздуха приводит к движению материала как бы во взвешенном состоянии, почти без вступления в соприкосновение с транспортирующим органом, что в значительной степени снижает износ рабочей поверхности последнего.
76
( )
см
fN =
ост
Р
.Р,,N
ост
4
103726740
−
−=
ост
Р,,N
4
10342169060
−
−=
Рис. 6.14. Изменение мощности в процессе получения порошка
картофеля при различных остаточных давлениях в аппарате
ν = 50 Гц, А = 1,44 мм:
1, 2, 3, 4, 5 –
при
соответственно 750; 600;
400; 200; 5 мм рт. ст.
На рис. 6.15 представлена зависимость мощности от остаточного
давления (график 1), на основании которой получена формула
(6.30)
При режиме работы смесителя без циркуляции воздух является
амортизатором между составом и стенками смесителя, смягчая их соударения. На рис. 6.15 проведена зависимость мощности от остаточного давления для режима вибрации без циркуляции по двум точкам
(график 2) аналогично первому случаю. Эта зависимость может быть
аппроксимирована приближенной эмпирической формулой
. (6.31)
77
Рис. 6.15. Зависимость мощности от остаточного давления
при получении порошка картофеля:
1 – ν = 50 Гц, А = 1,44 мм; 2 – ν = 62 Гц, А = 0,64 мм
Таким образом, при снижении давления в аппарате затраты мощности будут увеличиваться.
78
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Развитие современных смесительных машин осуществляется
в направлении повышения интенсивности и эффективности их работы.
Так как наиболее проблематичным является ускорение процессов смешивания на микроуровне (область диффузионного смешивания), то
наблюдается тенденция использования физико-химических эффектов,
обеспечивающих изменение структурно-реологических свойств смесей
в процессе перемешивания.
Целью проектирования конструкций смесителей нового поколения является разработка системного подхода к решению задач по повышению интенсивности и эффективности работы смесительных машин
с привлечением современных методов поиска новых технических решений на основе анализа функциональных структур и экспериментально-теоретических исследований процессов смешивания, а также
разработке методов проектирования смесительных машин с использованием вибрации.
Долголетняя производственная практика показала, что при статических способах перемешивания (гравитационном и механическом) не
достигается однородность, не обеспечивается повышение активности
компонентов среды, происходит изменение гранулометрического состава смеси. Удовлетворительное качество перемешивания наблюдается лишь при малых степенях заполнения камеры, что ведет к увеличению габаритов и массы смесителя.
Вибрационное воздействие на перемешиваемые материалы и рабочие органы смесителя значительно увеличивает производительность
процесса, снижает энергоемкость и улучшает качество смеси. При этом
вибрация в одних случаях может лишь интенсифицировать основной
процесс (например, вибрирование шнека в шнековом смесителе), в других – вызывать специфические вибрационные эффекты, которые используются для перемешивания (например, циркуляционное вибротранспортирование смеси внутри цилиндрического или торообразного
сосуда).
При анализе процессов тепло- и массообмена в системах типа
виброкипящего слоя главными факторами, определяющими теплообмен в этих системах, является подвижность и перемешивание слоя дисперсного материала.
79
Распространение тепла в виброкипящем слое зависит в основном
от количества тепла, переносимого самими частицами при их перемещении, и мало – от теплопроводности загрузки и количества тепла, переносимого средой. Влияние вибрации на теплообмен в вибрационных
аппаратах наиболее ярко проявляется, начиная с определенных критических параметров колебаний. Коэффициент теплообмена между поверхностью нагрева и высушиваемым материалом при увеличении параметров вибрации повышается только с началом перемешивания
в объеме аппарата. До перемешивания наблюдается даже снижение интенсивности теплообмена за счет снижения объема, влажности и, соответственно, поверхности контакта материала в процессе сушки. Перемешивание является определяющим фактором интенсивности теплообмена в вибрационном смесителе.
Параметры вибрации, при которых наступает интенсивное перемешивание, зависят от размера и плотности частиц, влажности материала, коэффициента трения между частицами и других физико-механических свойств среды.
На основе проведенных исследований, установлены режимы работы вибрационных машин по форме взаимодействия рабочего органа
с насыпным материалом, находящимся в свободном состоянии.
Для теоретического обоснования и практических расчетов вибрационных аппаратов выбран режим работы с подбрасыванием загрузки, обеспечивающий максимальную скорость циркуляции, характерный для
вибросмесителей. Определены оптимальные интервалы параметров
вибрации корпуса вибросмесителя (амплитуды и частоты колебаний),
при которых максимальны поверхность и время контакта загрузки
с корпусом за один период колебания при максимальных скоростях перемешивания и энергии соударения.
Вибрационные смесители можно эффективно использовать для
перемешивания взаиморастворимых маловязких жидкостей, получения
взвесей твердых, волокнистых веществ, растворения кристаллических
тел, выравнивания температуры, предотвращения выпадения осадка,
перемешивания в процессах растворения газа в жидкости и в процессах
экстракции, а также для смешивания сыпучих материалов. Как и в установках аналогичного типа для сыпучих материалов, вибрация рабочего
органа смесителя способствует устранению застойных зон в рабочей камере и снижению гидравлического сопротивления перемещения смеси.
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]