<<
>>

Исследование процесса перемешивания компонентов смеси на натурной модели

Экспериментальные исследования проводились с использованием стендовой установки как в лабораторных условиях, так и в условиях действующего производства. С целью выявления закономерности взаимодействия вертикального лопастного вала смесителя, стенок камеры и винтовых элементов, закрепленных на стенках барабана, с компонентами смеси была изготовлена установка-модель смесителя с прозрачным смесительным барабаном.

Характер процесса смешивания компонентов смеси и перемещения загрузки был снят на видеокамеру с последующей раскадровкой с интервалом в одну секунду.

При физическом моделировании характера движения частиц загрузки было принято предположение (стр. 50, рис. 2.4), что при значениях окружной скорости вращения лопастного вала порядка 4-5 м/с материал загрузки переходит в псевдоожиженное состояние, которое характеризуется образованием воронки вокруг вертикального вала, расположенного в центре цилиндрического корпуса смесителя, что подтверждено проведенными экспериментами на натурной модели (рис. 4.1).

а) б) в)

Рисунок 4.1. Образование воронки при перемешивании различных материалов в исследуемом смесителе: а - зернистых материалов; б,в - порошковых материалов

С целью определения характера перемещения компонентов смеси внутри барабана смесителя была проведена серия экспериментов:

- барабан, без закрепленных на нем винтовых поверхностей лопастей, заполненный солью (рис. 4.2, а) и солью с песком (рис. 4.2, б);

- барабан, с закрепленными на нем винтовыми поверхностями лопастей, заполненный пшеном (рис.4.3.), солью с песком (рис. 4.4, а) и солью с синим пигментом (рис. 4.4.б);

- барабан, с закрепленными на нем винтовыми перфорированными поверхностями лопастей, заполненный солью (рис.4.4, а), солью и цветным пигментом (рис.

4.4, б), солью с песком и цветным пигментом (рис. 4.4, в) и пшеном с рапсом (рис. 4.4, г).

Анализ фотосъемки (рис. 4.2) показал, что при вращении лопастного вертикального вала с частотой 470 мин-1 (рис.4.2, а) и 630 мин-1 (рис.4.2, б) в смесительном барабане, без закрепленных на нем винтовых поверхностей лопастей, происходит разбивание смеси на слои, т.е. образовываются замкнутые потоки движения материала, создаваемые лопастями вертикального вала. При этом лопасти на валу повернуты относительно вертикали на 45 град и расположены в три ряда. Поэтому перемещение компонентов в смеси (соль и песок) между слоями происходит достаточно медленно и с трудом из слоя в слой,

что приводит к увеличению времени смешивания и, как следствие, к снижению качества готового продукта и к увеличению энергопотребления.

Для разрушения замкнутых потоков движения материала, создаваемых лопастями вала, на внутренней стенке барабана смесителя были установлены под углом к горизонту винтовые поверхности лопастей барабана (рис. 4.3).

Анализ фотосъемки показал, что частицы загрузки при контакте с краем винтовых поверхностей переходят с верхнего уровня на нижний, и далее, попадая на винтовую поверхность нижнего уровня и, скользя по ней вверх, снова переходят на более нижний уровень, если он есть. В противном случае, подхватывается лопастями вертикального вала и процесс циркуляции повторяется. Таким образом, осуществляется перемещение компонентов загрузки между слоями, что интенсифицирует процесс смешивания.

Здесь нужно отметить, что описанный процесс относится к смешиванию мелкозернистых материалов. При смешивании порошковых материалов (рис. 4.4) наблюдается возникновение застойных зон в районе стенок корпуса и установленных на нем винтовых поверхностях лопастей, начиная с 1/3 их длины (синий пигмент).

Тем не менее, под воздействием центробежной и подъемной сил, создаваемых углом подъема спирали, только часть частиц из застойной зоны захватывается потоком движущихся частиц (рис 4.4, б), что в конечном итоге влияет на качество получаемой смеси.

а) б)

Рисунок 4.4. Барабан с винтовыми поверхностями лопастей, заполненный солью с синим пигментом с углом установки винтовой поверхности β=303(a) и β=45° (б):

- образование застойных зон на винтовой поверхности лопасти барабана

Рисунок 4.5. Барабан с винтовыми перфорированными поверхностями лопастей, заполненный солью (а, б), солью и цветным пигментом (в), солью, песком и цветным пигментом (г) и пшеном с рапсом (д): С - просыпание частиц материала через отверстия в винтовых

поверхностях

Для устранения данного недостатка было предложено выполнить винтовые поверхности лопастей барабана перфорированнными. Для наглядности в опытах на натурной модели, на средней части винтовых поверхностей лопастей, были сделаны по одному отверстию у стенки барабана (рис. 4.5).

На снимках хорошо видно, что при этом происходит просыпание через отверстия частиц как порошковых, так и мелкозернистых материалов. Поэтому, было принято решение для лабараторной установки использовать на внутренней стенке барабана перфорированные винтовые поверхности лопастей [84].

Для определения времени смешивания компонентов, при выполнении полнофакторного эксперимента, были проведены дополнительные опыты и произведена раскадровка процесса смешивания зернистых материалов (рис. 4.6) с интервалом в 1 секунду (так как в экспериментах частота вращения лопастного вала варьировалась от 470 до 630 мин-1, что соответствует 8-11 оборотов лопастного вала за 1 секунду).

На начальных стадиях смешивания (1 -3 сек), до установившегося режима работы смесителя (рис.4.6, а-в), наблюдается подъем светлых частиц в пристенной зоне и падение темных частиц за счет создаваемой лопастным валом воронки, на что указывает их появление в пристенной нижней части барабана (рис.

4.6, в, г). На рис. 4.6 (б, в) хорошо отражено набрасывание материала лопастями вертикального вала на винтовые поверхности лопастей барабана и разрушение замкнутых потоков движения смеси, создаваемых лопастями вращающегося вала. При этом, межсловое перемещение частиц обеспечивается наличием отверстий на винтовых поверхностях лопастей барабана (рис. 4,6, в-и).

На качество смешивания влияет еще и тот факт, что лопасти вертикального вала, захватывая порцию материала, оставляют за собой след (рис. 4.6 б-р) в виде пустого пространства, которое заполняется частицами межлопастного слоя под действием силы тяжести. След возникает из-за достаточно большой частоты вращения лопастного вала, и центробежные силы, действующей на частицы материала, которые преобладают над их силами тяжести, что обеспечивает псевдоожижение смеси.

π)t=14ceκ p)t=15ceκ

РисунокД.б. Покадровая съемка процесса смешения мелкозернистых материалов в барабане с прозрачными стенками (окончание):

CΞ>- области набрасывания материала на винтовые поверхности; - области просыпания частил материала через отверстия в винтовых поверхностях: *CΞ-■ - область следа оставляемого лопастями вата; - области скопления частил одного вида материала

На 8-10 секундах смешивания (рис. 4.6, з-м) в пристенной зоне наблюдаются области скопления частиц одного цвета. Здесь можно отметить, что начиная с 11 секунды цикла смешивания наблюдается установившийся режим работы смесителя и относительно равномерное распределение компонентов смеси во всем объеме барабана.

Таким образом, можно считать, что на 16 секунде цикла (рис. 4.6, р) происходит полное смешивание компонентов смеси.

Для определения оптимального времени смешивания для порошковых материалов были проведены дополнительные опыты и произведена раскадровка процесса их смешения (рис. 4.7) с интервалом в 1 секунду при 550 оборотах лопастного вала. В натурную модель с прозрачными стенками были засыпаны соль, песок и крашенный пигмент.

На начальных стадиях смешивания (1 -5 сек) и до установившегося режима работы смесителя (рис.4.7, а-з), наблюдается подъем всех слоев материала в пристенной зоне и создание мертвых зон выше и ниже отверстий на винтовой поверхности лопастей барабана (в отличие от смешивания мелкозернистых материалов) (рис.4.7, д, е). Хорошо заметно набрасывание материала лопастями вертикального вала на винтовые поверхности лопастей барабана (рис. 4.7., а-д), и, при этом, можно отметить, что компоненты смеси просыпаются через отверстия в винтовых лопастях барабана (рис. 4.7, д-з), чем подтверждается эффективность перфорированной поверхности лопастей барабана. При увеличении живого сечения винтовых поверхностей лопастей барабана процесс смешивания заметно интенсифицируется.

Как и в случае с перемешиванием мелкозернистых материалов, на создание псевдоожиженного слоя оказывает влияние образования следа в виде пустого пространства (рис. 4.7, ж,к,м-п), которое заполняется частицами смешиваемых порошкообразных компонентов из межлопастного (верхнего) слоя по действием сил тяжести. На 13 секунде цикла (рис. 4.7, о) происходит полное смешивание компонентов смеси.

4.2.

<< | >>
Источник: БРАЖНИК ЮЛИЯ ВИКТОРОВНА. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ПРОЦЕССА СМЕШИВАНИЯ В ЛОПАСТНОМ СМЕСИТЕЛЕ С ВЫСОКОСКОРОСТНЫМ РЕЖИМОМ РАБОТЫ. ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук. Белгород - 2017. 2017

Еще по теме Исследование процесса перемешивания компонентов смеси на натурной модели:

  1. Оглавление
  2. Исследование процесса перемешивания компонентов смеси на натурной модели