close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Евсеев Максим Вячеславович. Совершенствование конструкции смесителя периодического действия и исследование его работы

код для вставки
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ г о с у д а р с т в е н н о е бю д ж е т н о е о б р а зо в а т е л ьн о е
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени И.С.ТУРГЕНЕВА»
ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА
по направлению подготовки
15.04.02 «Технологические машины и оборудование»
направленность «Процессы и аппараты пищевых п р о и з в о д с т в »
Студента Евсеева Максима Вячеславовича
шифр: 165236
Факультет «Политехнический и н с т и т у т имени Н.Н.Поликарпова»
Тема выпускной квалификационной работы
«Совершенствование к о н с т р у к ц и и смесителя периодического действия
и исследование его работы»
Студент
Евсеев М.В.
Научный руководител:
Корячкин В.П.
Руководитель от проф]
организации
| Евтушенко А.Ю.
Нормоконтроль
Галаган Т.В.
Зав. кафедрой
Фроленкова Л.Ю.
Орел 2018
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени И.С.ТУРГЕНЕВА»
ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА
по направлению подготовки
15.04.02 «Технологические машины и оборудование»
направленность «Процессы и аппараты пищевых производств»
Студента Евсеева Максима Вячеславовича
шифр: 165236
Факультет «Политехнический институт имени Н.Н.Поликарпова»
Тема выпускной квалификационной работы
«Совершенствование конструкции смесителя периодического действия
и исследование его работы»
Студент
Евсеев М.В.
Научный руководитель
Корячкин В.П.
Руководитель от профильной
организации
Евтушенко А.Ю.
Нормоконтроль
Галаган Т.В.
Зав. кафедрой
Фроленкова Л.Ю.
Орел 2018
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени И.С.ТУРГЕНЕВА»
Факультет (институт): ПТИ имени Н.Н. Поликарпова
Кафедра: Машиностроение
Направленность подготовки (специальность): 15.04.02 «Технологические
машины и оборудование»
Направленность: (профиль) «Процессы и аппараты пищевых производств»
УТВЕРЖДАЮ:
Зав. кафедрой машиностроение
Л.Ю. Фроленкова
«Ж»
2017 г.
ЗАДАНИЕ
на выполнение выпускной квалификационной работы
Студента: Евсеева Максима Вячеславовича шифр: 165236
1.
Тема
ВКР:
«Совершенствование
конструкции
смесителя
периодического действия и исследование его работы»
Утверждена приказом по университету от «15» декабря 2017 г. №2-3650
2.
Срок сдачи студентом законченной работы «19» июня 2018 г.
3.
Исходные данные к работе: задание, аналоги и патенты,
экспериментальная установка.
4.
Содержание ВКР (перечень подлежащих разработке вопросов):
аннотация; введение; обзор современного состояния техники, технологии и
теории перемешивания пищевых материалов; анализ физических и
математических моделей перемешивающих устройств; изготовление новых
рабочих органов смесителей; выполнение экспериментальных исследований
для определения параметров перемешивания с помощью новых рабочих
органов; анализ полученных результатов экспериментов; заключение.
5.
Перечень графического материала: нет
6.
Консультантов по ВКР (с указанием относящихся к ним разделам): нет
Подпись, дата
Консультант
Раздел
Задание выдал
Задание принял
Дата выдачи задания «15» декабря 2017 г.
Научный
Щк
руководитель ВКР
с
В.П. Корячкин
Руководитель от профильной
организации
А.Ю. Евтушенко
Задание принял к исполнению
М.В. Евсеев
КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН
Наименование этапов
Срок выполнения
ВКР
этапов проекта
Обзор современного состояния техники,
технологии и теории перемешивания 20.12.17-31.01.18
пищевых материалов.
Проведение анализа физических и
математических
моделей 01.02.18-15.02.18
перемешивающих устройств.
Изготовление новых рабочих органов
15.02.18-07.03.18
смесителей.
Проведение
экспериментальных
исследований
для
определения
параметров перемешивания с помощью 12.03.18-18.05.18
новых
рабочих
органов.
Анализ
результатов.
Оформление записки.
21.05.18-08.06.18
Студент
Научный
руководитель проекта
Руководитель от профильной
организации
Примечание
М.В. Евсеев
с
В.П. Корячкин
j
А.Ю. Евтушенко
3
Аннотация
Выпускная квалификационная работа
по теме: «Совершенствование конструкции смесителя периодического
действия и исследование его работы»
Выполнил проект: студент гр. 61 – ТОМ, Евсеев Максим Вячеславович
Руководитель проекта: профессор, д.т.н., Корячкин Владимир Петрович
Утвердил проект: зав.каф., д.т.н. Фроленкова Лариса Юрьевна
Страниц – 73
Иллюстраций – 30
Таблиц – 9
Приложений – 2
Формул – 39
Список использованной литературы – 24
На основе теоретических и экспериментальных исследований была
усовершенствована конструкция смесителя периодического действия. При
этом, сконструированы четыре ленточные мешалки по схеме ленты Мебиуса:
узкая (10 мм), широкая (14 мм), узкая с лопастями и широкая с лопастями.
В ходе подготовки работы был проведен поиск и анализ аналогов
перемешивающих устройств, проведены экспериментальные исследования
перемешивания крахмального клейстера с содержанием крахмала 50, 75 и
100 г на 1 литр воды. Перемешивание проводилось с использованием каждой
мешалки.
По результатам проведенных теоретических и экспериментальных
исследований изучены математические модели перемешивания и приведено
сравнение графика зависимости критерия Фруда от критерия Рейнольдса,
полученного на разработанном смесителе, с известными графиками.
Объем пояснительной записки 73 стр.
Ключевые слова: перемешивание, смеситель, мешалки, эксперимент,
графики критериальных зависимостей.
4
Abstract
Graduation qualification work
on the topic: "Improvement of a design of the mixer of periodic action and
research of his work"
Completed the project: student gr. 61 - TOM Evseev Maxim Vyacheslavovich
Project leader: Professor, Doctor of Technical Sciences, Koryachkin Vladimir
Petrovich
The project was approved: head of the department, doctor of technical
sciences, Frolenkova Larisa Yurevna
Pages - 73
Illustration - 30
Tables - 9
Applications - 2
Formula - 39
List of used literature - 24
On the basis of theoretical and experimental studies, the design of the batch
mixer was improved. At the same time, four belt agitators are designed according
to the scheme of the Mobius tape: narrow (10 mm), wide (14 mm), narrow with
blades and wide with blades.
During the preparation of the work, the search and analysis of analogues of
mixing devices was carried out, experimental studies of mixing of starch paste with
a starch content of 50, 75 and 100 g per 1 liter of water were carried out. Mixing
was carried out using each stirrer.
Based on the results of theoretical and experimental studies, mathematical
models of mixing are studied and a comparison of the graph of the dependence of
the Froude criterion on the Reynolds criterion obtained on the developed mixer
with the known graphs is given.
The volume of the explanatory note is 73 pages.
Keywords: mixing, mixer, stirrers, experiment, graphics of criteria
dependencies.
5
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ ......................... 6
1
ОБЗОР
ТЕХНОЛОГИИ
СОВРЕМЕННОГО
И
ТЕОРИИ
СОСТОЯНИЯ
ТЕХНИКИ,
ПЕРЕМЕШИВАНИЯ
ПИЩЕВЫХ
МАТЕРИАЛОВ ................................................................................................... 9
1.1 Назначение и классификация смесителей ........................................ 9
1.2 Перемешивающие устройства для неньютоновских жидкостей . 16
1.3 Современное состояние теории перемешивания ........................... 23
1.4 Интенсивность и эффективность перемешивания ........................ 28
2
ФИЗИЧЕСКИЕ
И
МАТЕМАТИЧЕСКИЕ
МОДЕЛИ
ПЕРЕМЕШИВАЮЩИХ УСТРОЙСТВ ......................................................... 31
2.1 Турбулентный перенос и циркуляция в аппаратах с мешалками32
2.2 Поле скоростей потока жидкости.................................................... 35
2.3 Основы гидродинамического расчета ............................................ 36
2.4 Перемешивание крахмального клейстера ...................................... 38
2.5 Зависимость вязкости от градиента скорости сдвига ................... 41
2.6 Расчет мощности на перемешивание .............................................. 43
3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ................................. 45
3.1 Описание экспериментальной установки ....................................... 45
3.2 Подготовка образцов и последовательность проведения
эксперимента ..................................................................................................... 50
3.3 Результаты экспериментальных исследований и обработка
данных ................................................................................................................ 51
4 РАЗРАБОТКА ПЕРЕМЕШИВАЮЩИХ УСТРОЙСТВ .................... 62
ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ ............................................................................ 67
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ........................................................................ 68
Приложение А ........................................................................................... 71
Приложение Б ............................................................................................ 72
6
ВВЕДЕНИЕ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность
работы.
Процессы
перемешивания
компонентов
материалов составляют значительную долю технологических операций во
многих
отраслях
современной
промышленности.
Особенно
широко
перемешивание встречается в: пищевой промышленности; химической
отрасли;
строительной
индустрии
при
приготовлении
строительных
растворов; косметической промышленности; нефтедобыче, нефтепереработке
и т.д.
Основная задача перемешивания состоит в получении однородных
смесей, дисперсных систем, интенсификации процессов химического
превращения, массо- и теплопереноса. Перемешивание происходит либо
самопроизвольно
за
счѐт
молекулярной
диффузии,
либо
за
счѐт
дополнительного ввода энергии в рабочую среду.
Существует множество классов перемешивающих устройств. К одному
из наиболее распространѐнных классов относятся аппараты с механическими
перемешивающими устройствами. В большинстве случаев, перемешивание в
этих аппаратах осуществляется за счет увлечения перемешиваемой среды
вращающимися рабочими органами. Данный принцип перемешивания имеет
множество существенных недостатков, связанных с образованием застойных
зон в рабочем объѐме, которые появляются по причине замкнутости
траекторий движения рабочих органов. Эту проблему в основном решают за
счѐт усложнения траекторий движения рабочих органов, усложнения
геометрии рабочих органов, увеличения скоростей вращения, наложения
вибраций и акустических полей, введения в объѐм перемешиваемой среды
всевозможных отражательных перегородок.
Цель
диссертационной
работы
является
совершенствование
конструкции смесителя периодического действия и исследование его работы.
Основные задачи исследования
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи:
7
Выполнить обзор современного состояния техники, технологии и
1.
теории перемешивания пищевых материалов;
Провести
2.
анализ
физических
и
математических
моделей
перемешивающих устройств;
3.
Изготовить новые рабочие органы смесителей.
4.
Провести необходимые экспериментальные исследования для
определения параметров перемешивания с помощью новых рабочих органов.
Научная новизна работы заключается в том, что:
1.
Усовершенствована
действия,
которая
конструкция
ранее
не
смесителя
применялась
в
периодического
перерабатывающей
промышленности;
2.
Установлено
влияние
новых
рабочих
органов
смесителя,
выполненных по схеме листа Мебиуса с дополнительными лопастями, на
процесс перемешивания.
Теоретическая и практическая значимость определяются тем, что
предложена конструкция смесителя периодического действия, позволяющая
интенсифицировать процесс перемешивания. Данная конструкция смесителя
позволяет без существенных дополнительных затрат встраивать его в
различные
технологические
линии
различных
отраслей
современной
перерабатывающей промышленности.
На защиту выносятся:
1.
Теоретические
исследования
конструкций
оборудования
для
перемешивания неньютоновских материалов, применяемых в пищевой
промышленности;
2. Экспериментальные исследования влияния геометрии разработанных
рабочих
органов
смесителя
периодического
действия,
на
процесс
перемешивания сплошных сред.
Реализация работы
На основе изученной теории процессов перемешивания и созданных
рабочих органов смесителя периодического действия получены результаты,
8
которые доказывают влияние конструкция смесителя периодического
действия на процесс перемешивания. Проведенные исследования позволяют
внедрить усовершенствованную конструкцию смесителя периодического
действия в учебный процесс технических вузов, а также рекомендовать
конструкцию смесителя в производство для перемешивания пищевых сред.
Апробация
Основные
результаты
работы
доложены
и
обсуждены
на
конференциях:
– 48-ой студенческой научно-технической конференции «Неделя науки
-2015».
Орел,
Государственный
университет
–
учебно-научно-
производственный комплекс, 2015 г.
– Студенческой научно-технической конференции «Неделя науки 2016». Орел, Приокский государственный университет, 2016 г.
– Студенческой научно-технической конференции «Неделя науки 2017». Орел, ОГУ им. И.С. Тургенева, 2017 г.
– Студенческой научно-технической конференции «Неделя науки 2018». Орел, ОГУ им. И.С. Тургенева, 2018 г.
– Подготовлена рукопись статьи по результатам проведенных
теоретических и экспериментальных исследований «Разработка смесителя
периодического действия для неньютоновских сред».
9
1 ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТЕХНИКИ,
ТЕХНОЛОГИИ И ТЕОРИИ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ПИЩЕВЫХ
МАТЕРИАЛОВ
1.1 Назначение и классификация смесителей
Смешение – такой механический процесс, в результате которого
первоначально
находящиеся
раздельно
компоненты
преобразуются
в
систему неупорядоченным, статистически-случайным распределением.
В зависимости от механизма процесса смешения различают простое и диспергирующее смешение [8].
Простое
смешение
-
процесс,
при
котором
увеличивается
вероятность распределения частиц компонентов без изменения их размеров.
Диспергирующее смешение - процесс, при котором происходит как
уменьшение размеров частиц, так и увеличивается вероятность их
распределения.
Многие
молекулярной
процессы
диффузии.
простого
При
смешения
основаны
бездиффузионном
на
явлении
смешении
частицы
движутся под действием различных внешних сил [3].
Если основными компонентами являются газы или маловязкие
жидкости, находящиеся в турбулентном режиме движения, процесс
смешения протекает быстро и называется турбулентным смешением.
При перемешивании высоковязких жидкостей (растворы и расплава
полимеров) турбулентности не возникает, процесс протекает при низких
числах Рейнольдса и называется ламинарным смешением.
Смесители – машины и аппараты, предназначенные для смешения
компонентов исходных материалов [6]. Классификацию можно проводить по
нескольким критериям (рис. 1.1):
1) по конструктивным признакам:
а) без перемешивающих устройств;
б) с перемешивающими
устройствами: лопастные,
центробежные, шнековые, валковые, червячные и др.);
ленточные,
10
двухвинтовые
червячные
одновинтовые
горизонтальные
валковые
вертикальные
одновальные
Смесители непрерывного
действия
барабаннолопастные
двухвальные
лопастные
фасонные
барабанные
цилиндрические
Смесители
периодического действия
Рис. 1.1. Классификация смесителей
2) по физическому состоянию исходных компонентов:
а) исходные компоненты - твердые вещества;
б) твердое вещество и высоковязкая жидкость;
в) твердое вещество и низковязкая жидкость;
г) высоковязкие жидкости (2 и более);
д) низковязкие жидкости (2 и более).
3) по характеру процесса смешивания:
а) периодического действия;
б) непрерывного действия.
4) по частоте вращения перемешивающего устройства:
а) тихоходные;
б) быстроходные.
пневматические
11
5) по механизму процесса смешивания:
а) с диффузионным смешиванием;
б) с конвективным смешиванием;
в) с диффузионно-конвективным смешиванием.
6) по режиму работы:
а) турбулентный;
б) ламинарный.
7) по силовому воздействию:
а) пневматические;
б) электромагнитные;
в) гравитационные;
г) сдвиговые.
Механические устройство для перемешивания жидких пищевых
продуктов разделяется на устройства с вращающимися мешалками и
качающимися [8].
Вращающиеся мешалки подразделяются на лопастные, листовые
гребенчатые, рамные, якорные, пропеллерные и турбинные.
Лопасти лопастных мешалок (рис. 1.2а) чаще всего располагают в
осевой плоскости вала и реже – наклонно к ней.
Основные размеры лопастных мешалок выбирают в зависимости от
вязкости перемешиваемой жидкости. Для жидкостей с динамической
вязкости от 1 Пас при установке на валу одной мешалки ее диаметр (размах)
и высоту лопасти можно принимать равными: d = (0,6…0,7)D; b =
(0,1…0,2)D, где D – диаметр сосуда.
При перемешивании жидкости в глубоких сосудах для лучшего
перемешивания в короткий срок на валу мешалки устанавливают несколько
12
рядов лопастей. Расстояние между рядами лопастей выбирают равным
(0,3…0,8)d в зависимости от вязкости перемешиваемой жидкости [22].
Рис. 1.2. Вращающиеся мешалки: а) лопастная, б) ленточная, в)
гребенчатая, г) рамная, д) якорная, е) турбинная.
13
Основное преимущество лопастных мешалок заключается в их
простоте и дешевизне, недостаток – в недостаточности осевого перемещения
жидкости [20].
В листовой мешалках (рис. 1.2б) квадратной и прямоугольной формы
часто делают отверстия, которые способствуют образованию в жидкости
струй, ускоряющих процесс перемешивания. Диаметр и высота лопасти
мешалки могут приниматься равными: d = (0,3…0,5)D; b = (0,5…1)D.
Гребенчатые мешалки (рис. 1.2в) составляют из вертикальных и
горизонтальных
лопастей.
Для
предотвращения
кругового
движения
жидкости можно использовать две гребенчатые мешалки со встречным
вращением лопастей и прохождением гребней одной мешалки между
гребнями другой.
Рамные
мешалки
(рис.
1.2г)
изготавливают
из
ряда
жестко
связываемых между собой вертикальных и горизонтальных лопастей.
Диаметр и высоту мешалку принимают равными: d = (0,87…0,98)D; b =
(0,8…0,9)D.
Якорные мешалки (рис. 1.2д) – это лопастные или рамные, нижняя
часть которых выполнена по форме сечения сосуда (дуга окружности,
эллипса
и
пр.).
Диаметр
пропеллеров
выполняют
с
винтовыми
поверхностями. Проектируют их обычно на основании экспериментальных
данных. Диаметр пропеллера принимается в 3-4 раза меньше диаметра
сосуда [19].
Турбинные мешалки (рис. 1.2е) напоминают собой рабочее колесо
водяной турбины с лопатками. Такие мешалки могут иметь одно или
несколько рабочих колес. Число лопаток рабочего колеса колеблется от 4 до
16. Форма лопаток и их расположение (прямое или наклонное) определяется
характером перемешиваемой жидкости и целью перемешивания. Диаметр
турбины выбирают в зависимости от диаметра сосуда равным: d =
(0,33…0,5)D при D  1,5 и d = (0,25…0,33)D при D > 1,5 м. Длина и ширина
лопатки принимаются равными: l = 0,25d; b = 0,2d.
14
В многорядных турбинных мешалках расстояние между двумя
соседними турбинными берется в пределах (0,5…2,0)d в зависимости от
плотности и вязкости перемешиваемой жидкости.
Требования, предъявляемы к смесителям:
1) высокое качество смеси;
2) кратковременность пребывания материала в смесителе;
3) обеспечение полной выгрузки и самоочистки.
На процесс смешивания основное влияние оказывают следующие
факторы:
1) конструкция смесителя;
2) состояние и концентрация компонентов смеси;
3) технологический режим процесса смешения.
При
выборе
смесителя
следует
учитывать
продолжительность
смешения, емкость смесителя и потребляемую энергию.
Экспериментально определяются удельные энергозатраты смесителя:
(1.1)
где N – потребляемая мощность; t – время смешения; m – масса одной
загрузки смесителя.
Фактор смешения ηсм:
(1.2)
Выбирается
смеситель,
у
которого
меньше
Nуд,
при
этом
учитывается возможность очистки, необходимое количество операторов,
стоимость [23].
15
Качество
получаемых
механических
смесей
оценивается
коэффициентом неоднородности kc (в %), определяемым по формуле:
(1.3)
где сi – значение концентрации одного из компонентов в пробах, вес %;
c0 – значение
концентрации
этого
же
компонента
при
идеально
равномерном распределении, вес %; i - число групп проб (i = n/ni); ni –
число проб в каждой группе одинаковых значений с; n – общее число проб.
Величина kc определяется по одному из компонентов, обычно
тому, весовая концентрация которого c0 является наименьшей, либо
раздельно для каждого компонента.
Для получения достоверной оценки качества смешения число проб
n должно быть достаточно велико (>10 при производственном контроле) вес
же каждой пробы должен быть, наоборот, мал (порядка 1 г).
Структурная однородность вязких смесей может быть установлена
по аналогии, с помощью коэффициента структурной неоднородности. В
этом случае в формуле kc следует подставлять вместо концентрации с0-сС
численные
значения
каких-либо,
зависящих
от
структуры массы,
показателей ее свойств, например, текучести, эластичности и т.п.
Процесс
перемешивания
осуществляется
за
счет
создания
в
аппарате циркуляционного движения компонентов по перекрещиваемся
траекториям [12].
Несмотря
на
однородность продукта
внешнюю
простоту
достигается
через
процесса,
длительное
необходимая
время
и,
следовательно, с большой затратой энергии, величина которой возрастает
с
повышением
компонентов.
разности плотностей и дисперсности перемешиваемых
16
Повышение производительности смесительных машин в основном
достигается
увеличением
скорости
циркуляции
при
одновременном
усложнении характера движения частиц; особенно трудно этого достичь
при обработке вязкопластических масс. Выбор смесителя в каждом
случае производится до сих пор эмпирически - по производственным
или лабораторным данным.
1.2 Перемешивающие устройства для неньютоновских жидкостей
Данная работа посвящена исследованию перемешиванию крахмального
клейстера.
Крахмальный
клейстер
относится
к
вязко-пластичным
неньютоновским средам.
При перемешивании высоковязких сред, обладающих большими
силами внутреннего трения. В отличие от перемешивания ньютоновских
сред, когда эффективным решением является перемешивание при больших
градиентах скорости от высокооборотных перемешивающих устройств,
при перемешивании неньтоновских сред такой способ передачи энергии
экономически невыгоден, а часто и практически неосуществим.
В аппаратах для перемешивания неньтоновских сред необходимо
обеспечивать
более
равномерное
распределение
скоростей
потоков
жидкости, преимущественно с ламинарным режимом течения в объеме
всего
аппарата.
предназначенных
наличие
среды
Для
для перемешивания
замкнутых
в
одном
большинства
конструкций
высоковязких
осевых циркуляционных
направлении
аппаратов,
сред,
контуров
с
характерно
движением
по центральной части аппарата и в
противоположном направлении по кольцевой периферийной
области.
Отличительными особенностями тихоходных перемешивающих устройств
являются большие размеры мешалок по диаметру и высоте аппарата.
Аппараты
для
перемешивания
неньютоновских
жидкостей
выполняются в основном в вертикальном исполнении. Выполнение такие
17
аппаратов в горизонтальном исполнении значительно увеличивает затраты
энергии на перемешивание, поскольку требует увеличение диаметра
смесительного устройства (диска, лопасти, турбины, пропеллера и т.п.). Это
ведет к увеличению затрат мощности на перемешивание, т.к. мощность
пропорционально квадрату или кубу диаметра лопасти [10].
Вертикальные аппараты состоят из подвижных и неподвижных
элементов, образующих единую жесткую конструкцию, устанавливаемую
с помощью опоры на фундамент. В такой конструкции работа одних
элементов
оказывает
гидродинамическое
определенное
влияние
на
другие:
давление вращающихся масс жидкости действует на
неподвижные элементы аппарата, а температурные и упругие деформации
корпуса влияют на работу вращающихся элементов аппарата.
Такое
сложное
взаимодействие
отдельных
элементов
аппарата
между собой требует особого внимания при их конструировании и
эксплуатации, поэтому
стандартных
рекомендуется
максимальное
элементов, работоспособность
которых
использование
в
конструкции
аппарата в достаточной степени проверена на практике.
Аппараты
с
механическими
перемешивающими
устройствами
являются основными типами аппаратов, используемых в химической
промышленности [3].
Основными
элементами
аппарата
являются
перемешивающее
устройство и его корпус. Под перемешивающим устройством понимается
конструкция, состоящая
из
привода,
вала
и
мешалки,
соединенных
между собой в единый узел.
Привод перемешивающего устройства, в общем случае, состоит из
электродвигателя, редуктора (или мотор-редуктора) и стойки привода.
Выходной вал мотор-редуктора через муфту соединяется со сплошным
или разрезным валом аппарата, на конце которого закреплена мешалка.
Вал устанавливается в опорах качения, которые монтируются в стойке
привода.
18
Перемешивающее устройство устанавливается, как правило, на
крышке корпуса, а в ряде случаев оно устанавливается на отдельных
монтажных
конструкциях.
(переносным). Под
основном
Оно
корпусом
цилиндрической,
перемешивание.
также
может
быть
аппарата
понимается
формы,
в
автономным
сосуд
котором
любой,
в
осуществляется
Корпус аппарата, используемого для осуществления
теплообменных процессов, обычно имеет теплообменные устройства:
наружные в виде рубашки или встроенные в корпус в виде змеевиков.
В зоне входа вала перемешивающего устройства в корпус аппарата
обычно устанавливают уплотнения [16].
Мешалки являются одним из основных элементов аппарата для
перемешивания
жидких
механической энергии
сред.
от
Они
предназначены
динамических
элементов
для
передачи
аппарата
к
перемешиваемой среде. ГОСТом 206080-2002 регламентируется 12 типов
мешалок. Каждый тип мешалки имеет обозначение, указанное цифрами в
скобках:
трехлопастная
углом наклона лопасти =24° (рис. 1.3а);
с
пропеллерная (рис. 1.3б); турбинная открытая (рис. 1.3в); турбинная закрытая
(рис. 1.3г); шестилопастная с углом наклона лопасти а=45° (рис. 1.4а);
клетьевая (рис. 1.4б); шнековая (рис. 1.4в); рамная (рис. 1.4г); ленточная (рис.
1.5а); ленточная со скребками (рис. 1.5б); якорная (рис. 1.5в) [12].
Мешалки, входящие в этот ряд, отличаются одна от другой
значением
гидродинамического
коэффициента
сопротивления,
определяющего значение критерия.
Для
аппаратов
с
циркуляционной
трубой
рекомендуется
использовать винтовую мешалку с постоянным шагом винтовой линии. Для
эмалированных аппаратов,
рекомендуется
учитывая
использовать
особенности
якорную
или
их
изготовления,
спирально-лопастную
эмалированные мешалки. Для гуммированных аппаратов используется, как
правило, сокращенный типоразмерный ряд мешалок [20].
19
а)
б)
в)
г)
Рис. 1.2. Конструкции мешалок: а – трехлопастная с углом наклона лопасти
=24°, б – пропеллерная, в – турбинная открытая, г – турбинная закрытая
20
а)
в)
б)
г)
Рис. 1.3. Конструкции мешалок: а – шестилопастная с углом наклона
лопасти =45°, б – клетьевая, в – шнековая, г – рамная
21
а)
б)
в)
Рис. 1.4. Конструкции мешалок: а – ленточная; б – ленточная со скребками; в
– якорная
Все применяемые мешалки условно могут быть разделены на
быстроходные и тихоходные. Под быстроходными понимаются мешалки,
22
используемые для перемешивания жидких сред, преимущественно, при
турбулентном и переходном режимах движения жидкости; под тихоходными
- при ламинарном режиме движения жидкости.
Наиболее
часто
в
аппаратах для перемешивания пищевых сред
применяются быстроходные мешалки. Их можно разделить на мешалки,
лопасти которых
перпендикулярны
плоскости
вращения
(лопастная,
клетьевая, открытая и закрытая турбинные), и мешалки, лопасти которых
образуют постоянный или переменный угол наклона с плоскостью вращения.
Быстроходные мешалки могут использоваться в гладкостенных
аппаратах,
а
также
в
аппаратах,
оборудованных
различными
внутренними устройствами.
Трехлопастная
мешалка
(рис. 1.2а)
представляет
собой
конструкцию, состоящую из втулки, к наружному диаметру которой
приварены три плоские лопатки под углом 24° к плоскости вращения
мешалки [20].
В практике химического машиностроения применяются винтовые
мешалки
с постоянным шагом винтовой линии, литые с крыловидным
профилем лопасти, сварные с постоянной толщиной лопасти.
Турбинные открытые мешалки (рис. 1.2в) представляют собой
конструкцию,
состоящую
из
цилиндрической
втулки, на периферии
которой установлен кольцевой диск диаметром: несущий на себе шесть
плоских лопастей, равномерно расположенных по его окружности [8].
Открытые турбинные мешалки выпускаются в двух исполнениях:
неразъемные – на весь диапазон диаметров и разъемные – на диаметры 4501400 мм.
Турбинные закрытые мешалки, в отличие от открытых мешалок, имеют
плоские лопасти конической формы с углом при вершине 22°30'.
Лопасти с обеих сторон закрыты коническими дисками (рис. 1.2г). Закрытая
турбинная
мешалка
может
быть
использована
для
подачи
газа
в
перемешиваемую жидкость. В этом случае ее обычно монтируют в
23
центральной всасывающей трубе, имеющей на нижнем конце конический
элемент,
на
периферии
которого
расположены
неподвижные
отражательные ребра, способствующие увеличению объема засасываемого
газа и степени его дисперсности [8].
Шестилопастные
мешалки
(рис.
1.3а)
состоят
из
втулки,
к
цилиндрической поверхности которых, под углом к плоскости вращения
мешалки, приварено шесть лопастей.
Клетьевые мешалки (рис. 1.3б) представляют собой цилиндрическую
втулку, к наружной поверхности которой приварены четыре фигурные
лопасти, скрепленные бандажами. К внутренней поверхности бандажей
приварены две плоские лопасти, расположенные равномерно по окружности
между фигурными лопастями [22].
1.3 Современное состояние теории перемешивания
Одной из основных задач, решаемых при рассмотрении аппаратов
для перемешивания жидких и вязких сред, является задача нахождения
мощности перемешивания N. Для решения ее необходимо определить
диапазоны областей работы
мешалок
различного
типа.
В
первом
приближении обычно предполагают:
– ламинарный режим движения жидкости в аппарате, существующий
при значениях центробежного критерия Reц ниже 80 или 300 (в зависимости
от типа мешалки);
– переходный режим при значениях Reц от 80 (или 300) до 103;
– турбулентный при Reц > 103.
Основной
сложностью
в
определении
критерия
мощности
перемешивающих устройств является то, что большинство зависимостей KN
= f(Reц) представлены в форме графиков [9].
Для лопастных мешалок зависимость критерия мощности KN от
центробежного критерия Рейнольдса Reц показана на рис. 1.5. Зависимости
24
KN = f(Reц) для двухлопастной эмалированной мешалки, работающей в
гладкостенном эмалированном корпусе без отражателей, представлены на
рис. 1.5.
Для ламинарного и переходного режимов графические зависимости KN
= f(Reц) могут быть заменены аналитическими выражениями
(1.4)
соответственно показанными прямой 19 на рис. 1.5.
Трехлопастные, трехлопастные эмалированные и шестилопастные
мешалки. Трехлопастные мешалки используются преимущественно для
работы в аппаратах, в которых ранее использовались винтовые мешалки.
Зависимость критерия
мощности
для
этих
мешалок
представлена
кривыми 3, 8, 9 и 10 на рис. 1.6.
В отличие от стальных трехлопастных мешалок трехлопастные
эмалированные мешалки имеют лопасти, плоскость которых образует угол
90° с плоскостью их вращения. Это отражается на ходе функции K N =
f(Reц), представленной кривыми 7-9 на рис. 1.5 [6].
На этом же рисунке кривой 12 для турбулентного и прямой 18
для ламинарного
режима
представлена
функция
KN
=
f(Reц)
для
шестилопастной мешалки. Нетрудно видеть, что в области ламинарного
режима указанная функция может быть заменена аналитическим (прямая
18 на рис. 1.5) выражением
(1.5)
Зависимости KN = f(Reц) для винтовых мешалок с лопастями
профилированной формы представлены на рис. 4.2 кривыми 4-7, причем
для ламинарного режима, независимо от симплекса ГD (отношением
диаметра конструируемой мешалки к диаметру эталонной), графическая
зависимость KN = f(Reц) может быть заменена аналитическим выражением.
Рис. 1.5. Зависимость критерия мощности KN от центробежного критерия Рейнольдса Reц.
25
26
Для винтовых мешалок упрощенной формы зависимости KN =
f(Reц) представлены кривыми 4-7 на рис. 4.3. В области переходного
режима зависимость
KN = f(Reц) для мешалок такого типа может быть
представлена (прямая 7) аналитическим выражением
(1.6)
В
тех случаях, когда винтовая мешалка устанавливается
центральную циркуляционную
трубу,
для
определения
в
мощности
перемешивания необходимо использовать значение KN, представленное
кривой 6 на рис. 1.6в соответствии с которыми для выбранного режима
работы и для сред, вязкость которых близка к вязкости воды, значение KN
определяется формулой
(1.7)
Зависимости
KN
=
f(Reц)
для
различных
областей
работы
открытых турбинных мешалок показаны на рисунке 1.5, на котором
прямой 17 представлена зависимость для ламинарного режима работы [24].
В аналитическом виде прямая 17 определяется теоретической формулой
(1.8)
справедливой для гладкостенных аппаратов.
В турбулентной области (102 ≤ Reц ≤ 2·104) для определения
критерия мощности
KN
гладкостенных
аппаратов
может
быть
использовано выражение (кривая 10 рис. 1.5) [7]
(1.9)
Рис. 1.6. Зависимость критерия мощности KN от центробежного критерия Рейнольдса Reц.
27
28
Увеличение
частоты
вращения
мешалки,
работающей
в
гладкостенном аппарате, приводит к возникновению воронки, увеличению
поступления воздуха с поверхности в перемешиваемую жидкость и
резкому снижению критерия мощности KN.
На рис. 1.5 это снижение показано штриховыми кривыми 4 (Reц ≈ 2270
и Ga = 9,65·106), 5 (Reц ≈ 5820 и Ga = 7,40·107) и 6 (Reц ≈ 37200 и Ga =
4,80·108).
Наличие отражательных перегородок меняет характер движения
жидкости в аппарате, что влияет на изменение функции KN = f(Reц) в
турбулентной области и не влияет на ее изменение в ламинарной [7].
В
турбулентной
области
(Reц
>
102)
для
аппаратов
с
отражательными перегородками критерий мощности KN не зависит от
критерия Рейнольдса Reц.
KN = 6,4 = const.
(1.10)
Зависимость KN = f(Reц) для клетьевых мешалок представлена на
рис. 1.6 кривыми 10-14 [24]. При этом в ламинарном режиме работы
(прямая 10) эта зависимость может быть представлена аналитически в виде
формулы
(1.11)
1.4 Интенсивность и эффективность перемешивания
Интенсивность действия перемешивающего устройства определяется
временем
достижения
конкретного
технологического
результата
при
постоянной частоте вращения или частотой вращения перемешивающего
устройства при постоянной продолжительности процесса.
Обычно интенсивность перемешивания определяется с помощью
следующих величин:
1) число оборотов мешалки n;
2) окружная скорость конца лопастей мешалки и;
29
3) критерий Рейнольдса Re для процессов перемешивания;
4) расходуемая на перемешивание мощность N, приведенная к единице
объема V перемешиваемой жидкости (N/V) или к единице массы
перемешиваемой жидкости (N/(V)).
Каждая из перечисленных выше величин является соответствующей
мерой интенсивности перемешивания для конкретного аппарата с мешалкой,
работающего на конкретной системе (данной жидкости). Дело усложняется
при сравнении интенсивности перемешивания в двух различных аппаратах. В
таких случаях ни одна из перечисленных выше величин не является
достаточно
надежным
критерием
для
сравнения
интенсивности
перемешивания. Наименее точные данные будут в этом случае получены по
числу оборотов n. Лучше для такого сравнения использовать величины u и
Re, но и они не представляют универсальной меры интенсивности [10].
Относительно
более
точно
об
интенсивности
перемешивания
позволяют судить значения N/V и N/(V, но и они не являются
универсальным критерием интенсивности перемешивания. Осложняющим
здесь является тот факт, что энергия в объеме рассеивается неравномерно, а
эта неравномерность для разных аппаратов с мешалками различна.
Нахождение универсального критерия интенсивности перемешивания
является одной из наиболее трудных проблем техники перемешивания.
Отсутствие такого критерия не дает возможности описать универсальными
уравнениями такие процессы, как теплоотдача, массоотдача и т. д.
Приходится удовлетворяться уравнениями для отдельных аппаратов.
По-видимому, критерий интенсивности перемешивания должен быть
определен как скорость изменений степени перемешивания во времени.
Выявление конкретной формы такой функции для различных аппаратов с
мешалками требует проведения дальнейших исследований.
Эффективность перемешивания определяется количеством энергии,
затрачиваемой
на
перемешивание
для
достижения
требуемого
технологического эффекта [20]. Таким образом, из двух аппаратов с
30
мешалками более эффективно работает тот, в котором достигается
определенный технологический эффект при более низкой затрате энергии.
Эффективность перемешивания является также основой для оценки работы
одного и того же аппарата (для выбора оптимального режима работы
аппарата и оптимальных его размеров). Однако для того чтобы рассчитать
эффективность перемешивания, необходимо знать уравнения, определяющие
мощность, расходуемую на перемешивание, теплоотдачу, массоотдачу и т. д.,
не только для типовых систем, но и при переменных геометрических
параметрах системы [22]. Эта проблема в последние годы приобретает все
большее значение.
Практические проблемы процессов перемешивания редко удается
разрешить аналитически потому, что их механизм носит сложный характер.
В этих случаях проблему решают опытным путем на модели процесса. Чтобы
этот опыт провести с наименьшей затратой средств и одновременно получить
максимальную пользу, его следует правильно запланировать.
Проведение опыта требует выполнения следующих этапов:
1. Проектирование и построение опытной установки.
2. Выполнение замеров.
3. Обобщение полученных результатов измерений и определение того,
для каких действительных процессов полученные формулы могут быть
использованы.
31
2 ФИЗИЧЕСКИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ
ПЕРЕМЕШИВАЮЩИХ УСТРОЙСТВ
Физические и математические модели перемешивающих устройств
неразрывно связаны между собой и, поэтому рассматриваются в этом разделе
одновременно.
В большинстве случаев промышленные аппараты с механическими
мешалками реализуют турбулентный режим перемешивания, когда режимы
обтекания лопастей мешалки и течения основной массы жидкости являются
турбулентными [17]. При этом значение центробежного критерия Рейнольдса
(2.1)
превышает 1000. Здесь ν – кинематическая вязкость перемешиваемой
среды, м2/с.
При турбулентном режиме перемешивание жидкостей представляет
собой результат двух одновременно протекающих процессов:
1) конвективного переноса достаточно крупных элементов объѐма
перемешиваемой среды с направленным потоком;
2) накладывающихся на конвективный перенос пульсационных
движений различного масштаба.
Турбулентные пульсации и их интенсивность непосредственно связаны
с характеристиками осредненного течения перемешиваемой среды [21]. В
связи
с
этим
одним
из
необходимых
элементов
математического
моделирования процесса перемешивания является описание гидродинамики
осредненного течения жидкости в аппарате.
32
2.1 Турбулентный перенос и циркуляция в аппаратах с
мешалками
В соответствии с диффузионно-циркуляционной моделью в случае
отсутствия в аппарате внутренних устройств и при Rвн ≤ 0,1DH в аппарате
выделяются две концентрические зоны (рис. 2.1):
– центральная для 0 ≤ r ≤ rm (rm – радиус раздела зон);
– периферийная для rm ≤ r ≤ D/2.
Для мешалок с горизонтальными лопастями (лопастных, турбинных и
т.п.) определяющей является периферийная зона, а для мешалок с
вертикальными
лопастями
(якорных,
рамных)
–
центральная.
Перемешивание в каждой из зон осуществляется за счѐт турбулентной
диффузии, а обмен между ними обеспечивается циркуляцией, диффузия
через границу зон не учитывается [23]. При этом за счѐт высокой окружной
скорости
жидкости
распределение
концентраций
в
каждой
из
зон
осесимметрично, и турбулентная диффузия в окружном направлении при
наличии циркуляции не учитывается.
Рис. 2.1. Схема диффузионно-циркуляционной модели переноса в
аппарате при Rвн ≤ 0,1DH
33
Интенсивность протекания процесса перемешивания определяется
скоростью турбулентной диффузии в осевом и радиальном направлениях, а
также
циркуляционным
периферийной
зонами
расходом
(q).
жидкости
Интенсивность
между
центральной
турбулентной
и
диффузии
характеризуется коэффициентом турбулентного переноса
(2.2)
где l – путь перемешивания (может быть равным радиусу аппарата),
–
абсолютное
значение
градиента
окружной
скорости
перемешиваемой среды на радиусе r.
Профиль окружной скорости перемешиваемой среды всегда имеет
максимум, которому соответствует нулевое значение градиента скорости, т.е.
в объѐме аппарата существует цилиндрическая поверхность, на которой
коэффициент турбулентного переноса Dт обращается в нуль [9]. Радиус
раздела зон rm равен радиусу максимума окружной скорости жидкости (см.
рис. 2.1), и является решением уравнения
(2.3)
где rm = 2rm / dм – относительный радиус раздела зон, см.
Коэффициент турбулентного переноса в осевом и радиальном
направлениях
и
циркуляционный расход перемешиваемой среды для
каждой из зон определяются по полуэмпирическим формулам:
– при GD > 1,5 для мешалок с горизонтальными лопастями
34
(2.4)
– при GD ≤ 1,5 для мешалок с вертикальными лопастями
(2.5)
Установка в аппарате внутренних устройств с Rвн > 0,1DH приводит к
резкому снижению окружной составляющей скорости. В таких аппаратах
разделение объѐма перемешиваемой среды на центральную и периферийную
концентрические зоны не учитывается [4]. Не учитывается также градиент
концентраций компонентов среды по радиусу аппарата. Для определения
коэффициента турбулентного переноса в объѐме перемешиваемой среды
используется единая упрощенная формула:
(2.6)
Осреднѐнная величина Dт, определяемая по этой формуле, отражает
вклад в перенос как турбулентной диффузии, так и циркуляции.
Изложенные принципы гидродинамического расчѐта вертикального
емкостного аппарата с механическим
перемешивающим
являются
турбулентного
общими
для
процессов
устройством
перемешивания
большинства жидких сред, а именно процессов перемешивания взаимно
35
растворимых жидкостей, мало- и высококонцентрированных суспензий,
несмешиваемых жидкостей, жидкости и газа, подаваемого в аппарат через
барботер, а также для процесса растворения частиц твѐрдой фазы [2].
2.2 Поле скоростей потока жидкости
Формирование поля скоростей в потоке жидкости определяется
следующими факторами:
− движущими силами, приложенными к жидкости извне;
− уравновешивающим эти силы гидравлическим сопротивлением на
неподвижных поверхностях, ограничивающих поток;
− обменом энергией между соседними слоями жидкости.
Инженерная
методика
полуэмпирической,
гидравлического
расчѐта
поля
скоростей
т.е. предполагает использование
сопротивления
и
аппроксимирующих
является
коэффициентов
зависимостей,
найденных на основании результатов измерений [4].
Результаты экспериментов свидетельствуют о том, что радиальная и
осевая составляющие скорости потока перемешиваемой жидкости, как
правило, во много раз меньше окружной, значения которой почти не
изменяются по высоте аппарата и практически не зависят от высоты
расположения
мешалки.
Профиль
окружной
скорости
жидкости,
перемешиваемой механическими мешалками в вертикальном емкостном
аппарате, представлен на рис. 2.2.
Установка
в
аппарате
неподвижных
внутренних
устройств
(отражательных перегородок, труб, отражателей, змеевиков) приводит к
уменьшению скорости окружного течения, увеличению радиальной и осевой
составляющих скорости. Распределение скоростей в этом случае зависит, в
основном, от величины суммарного гидравлического сопротивления Rвн
внутренних устройств окружному потоку [12]. В аппаратах с внутренними
устройствами, обладающими высоким гидравлическим сопротивлением,
36
все пространственные составляющие скорости оказываются близкими по
величине
и
важнейшим
элементом
гидродинамической
обстановки
становится меридианальная циркуляция.
Рис. 2.2. Профиль окружной скорости перемешиваемой среды: u –
окружная скорость жидкости; r – текущий радиус; rm – радиус максимума
окружной скорости; D – внутренний диаметр аппарата
2.3 Основы гидродинамического расчета
Гидродинамический расчѐт аппаратов с механическими мешалками
включает расчѐт затрат мощности на перемешивание и определение
параметров, характеризующих эффективность перемешивания конкретной
среды [16]. Методика расчѐта различна в зависимости от соотношения
значений Rвн и значения произведения 0,1DH: при Rвн ≤ 0,1DH, когда
осевая и радиальная составляющие скорости потока существенно меньше
окружной, в качестве гидродинамической основы расчѐта используется
параметр профиля окружной скорости перемешиваемой среды ψ1, а при Rвн
> 0,1DH расчѐт основан на использовании относительного осреднѐнного
значения окружной скорости потока uср.
37
Для расчѐта необходимы следующие исходные данные:
1. Конструктивные параметры аппарата:
– внутренний диаметр D;
– высота заполнения аппарата рабочей средой без перемешивания H.
2. Параметры перемешивающего устройства (табл. 1.1):
– тип мешалки (коэффициент еѐ сопротивления ζ);
– коэффициент расхода мешалки k2;
– число мешалок на валу zм;
– диаметр мешалки dм;
– частота вращения вала мешалки n.
Таблица
2.1. Основные параметры
наиболее распространенных
мешалок
3. Параметры установленных в аппарате внутренних устройств:
– число внутренних устройств zв;
– коэффициенты их гидравлического сопротивления ζi, i = 1, …, zв;
– геометрические размеры каждого внутреннего устройства;
– радиусы расположения их вертикальных осей в аппарате ri, i = 1, …,
zв.
38
4. Физические характеристики перемешиваемой среды:
– плотность ρ;
– кинематическая ν или динамическая µ вязкость;
– средний диаметр взвешенных частиц;
– массовая или объѐмная концентрация компонентов среды.
2.4 Перемешивание крахмального клейстера
В
данной
клейстера,
работе
который
исследовалось
готовился
в
перемешивание
соответствие
с
крахмального
рекомендациями
представленных в главе 3.1. Содержание крахмала в клейстере составляло 50,
75 и 100 г крахмала на 1 литр воды.
Крахмальные клейстер представляет собой неньтоновскую пищевую
среду. Такие среды не принято называть жидкостью, поскольку с
жидкостями у них мало общего, они обладают повышенной вязкостью и
пределом текучести.
Неньтоновские среды при своем течении не подчиняются закону
Ньютона:
   ,
(2.7)
который описывает идеальную жидкость, в которой напряжение сдвига
Θ
пропорционально
скорости
сдвига
 .
Величина
η
называется
коэффициентом внутреннего трения или коэффициентом динамической
вязкости. С физической точки зрения она представляет собой удельную силу
трения при скорости сдвига  =1 c–1.
Неньтоновские
среды
обычно
обладают
консистенцией.
Консистенцией обычно называют меру плотности и твердости материала. В
зависимости от консистенции материалы по-разному деформируются при
разных видах нагрузки и скорости [21].
При анализе деформационные свойства материала, связанные с
консистенцией,
можно
достаточно
точно
характеристиками и уравнениями состояния.
описать
реологическими
39
Большое количество пищевых сред обладают так называемым
пределом текучести, которое численно равно минимальному сдвиговому
усилию, которое следует приложить к среде, чтобы сдвинуть ее с места,
чтобы она начала течь. При прикладывании меньшего усилия среда остается
неподвижной [11].
Уравнения
состояния,
которые
учитывают
предел
текучести,
описывают сдвиговое течение вязких неньютоновских сред – это уравнения
состояния Бингама, Гершеля-Балкли и трехпараметрическое уравнение
состояния.
Уравнение Бингама:
Θ = Θ о + μпл·  ,
n
(2.8)
где  – скорость сдвига, с-1,
Θ – напряжение сдвига, Па,
Θ о – предельное напряжение сдвига, Па,
μпл – пластическая вязкость,
n – индекс течения.
Уравнение Бингама описывает сдвиговое течение идеально пластичных
материалов. В сдвиговом течении идеально пластичных материалов
наблюдается пропорциональность между скоростью сдвига  и напряжением
сдвига Θ после превышения предела текучести Θo.
Физическое поведение таких материалов объясняется характером их
структуры.
Связи
внутри
материала
предотвращает
движение
при
напряжениях меньше предела текучести Θo, а при его превышении структура
материала полностью разрушается и испытывает сдвиговое течение.
Для описания подобного течения Бингам предложил это уравнение.
Примером систем довольно близко следующих уравнению Бингама могут
служить маргарин, шоколадные смеси, сырковотворожные и пралиновые
массы, зубная паста, жидкие мыла и моющих средства.
40
Уравнение Гершеля-Балкли:
  о  k n ,
(2.9)
где  – скорость сдвига, с-1,
Θ – напряжение сдвига, Па,
Θ о – предельное напряжение сдвига, Па,
k – коэффициент консистенции, Па·сn,
n – индекс течения.
Уравнением Гершеля-Балкли можно описать достаточно широкий
класс пищевых материалов и при этом кривизна кривых течения,
описываемых уравнением Гершеля-Балкли, может быть направлена как оси
скоростей сдвига, так и к оси напряжений.
Для более полного описания физико-механических свойств пищевых
материалов также можно применять расширенное трехпараметрическое
реологическое уравнение состояния, в которое входит квадрат предельного
напряжения сдвига, и кривизна графиков учитывается знаком перед
квадратом предельного напряжения сдвига.
о2
    k n ,


о2

(2.10)
 k n ,
При перемешивании неньютоновских сред, в том числе крахмального
клейстера
стремятся
избегать
турбулизации
потока,
поскольку
это
значительно усиливает разрушение структуры перемешиваемой вязкой среды
[10]. Для описания процесса перемешивания используют экспериментально
усредненный
градиент
скорости
(dω/dr)1 (на
модели
или
натурном
образце данной конструкции аппарата), соответствующий выбранному
значению
частоты
вращения
коэффициент В в уравнении
мешалки
n1, находят постоянный
41
(2.11)
Экспериментальное
определение
значения
(dω/dr)1
сводится
к
измерению мощности N1 при перемешивании любой неньютовской жидкости
с известным законом течения при частоте вращения n1, к вычислению
значения эффективной вязкости жидкости из известного для данной
конструкции аппарата уравнения мощности для неньютовской жидкости
(2.12)
и нахождению частного значения усредненного градиента скорости
(2.13)
2.5 Зависимость вязкости от градиента скорости сдвига
При
гидродинамическом
и
тепловом
расчете
натурного
или
разрабатываемого промышленного аппарата из уравнения (9.4) течения
жидкости определяют расчетную эффективную вязкость [5].
Реологический
степенной
закон
течения
жидкости
часто
представляют графиком в логарифмических координатах, где зависимость
имеет вид прямой линии с тангенсом угла наклона, равным индексу
течения m, и ординатой
.
На рисунке 2.3 в интервале рабочих значений представлены
графические зависимости эффективной вязкости от градиента скорости для
некоторых вязкопластичных сред.
Запишем уравнение эффективной вязкости среды в аппарате от частоты
вращения мешалки:
42
(2.14)
Полученные
в
процессе
значения
усредненной
эффективной
вязкости в аппарате подставляют в выражение
(2.15)
Рис. 2.3. Графические зависимости эффективной вязкости от
градиента скорости для некоторых вязкопластичных сред
43
2.6 Расчет мощности на перемешивание
Расчет мощности выполняют в следующем порядке:
1. В зависимости от назначения процесса перемешивания, вязкости
среды () и ее фазового состояния выбирают тип перемешивающего
устройства и его окружную скорость  (м/с).
2. Зная диаметр аппарата D, определяют диаметр мешалки dм.
3. По типу и диаметру dм перемешивающего устройства определяют
частоту вращения n(об/с) по таблицам
4. Определяют мощность (Вт), необходимую для перемешивания
,
(2.16)
где Kn – критерий мощности, определяемый по графикам в зависимости
от величины центробежного критерия Рейнольдса Re;
r – плотность перемешиваемой среды,
;
n – частота вращения мешалки, об/с; dм - диаметр мешалки, м.
,
(2.17)
Где m c - динамическая вязкость, Па с.
5.
Рассчитывают
номинальную
мощность
(Вт)
на
валу
электродвигателя:
,
(2.18)
где Nт – мощность, затрачиваемая на трение в уплотнении, часто ею
пренебрегают из-за малого значения;
hп – КПД привода, определяемый в зависимости от конструкций
последнего (для нормализованных приводов h = 0,9-0,96)
6. По значению мощности N и угловой скорости w с учетом
конструкции аппарата выбирают тип и размеры нормализованного привода.
7. Рассчитывают диаметр вала (м) перемешивающего устройства, что
ориентировочно можно выполнить по формуле:
44
,
(2.19)
где Мкр - расчетный крутящий момент, Нм; t
доп
- допустимое
напряжение на кручение для выбранного материала вала; Па.
,
(2.20)
Где w - угловая скорость, с-1.
При числах оборотов более 5 с-1 вал проверяют на жесткость и
виброустойчивость.
8. Проверяют мешалку на прочность в опасном сечении из условия
работы ее на изгиб. Например, для лопастной мешалки используют формулу:
,
где М = 0,0813
(2.21)
- изгибающий момент, действующий на лопасть в
месте присоединения к ступице, Н м;
- расчетный момент
сопротивления соответствующего сечения лопасти при изгибе ее в
направлении сечения, м3 [16].
45
3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
3.1 Описание экспериментальной установки
Для проведения экспериментального исследования использовался
ротационный вискозиметр «Реотест-2» (рис. 3.1).
1 – привод ротора, 2 – рычаг переключения диапазонов динамометра (III), 3 – корпус вискозиметра, 4 – указатель ступени коробки передач, 5 –
рычаг переключения передач, 6 – рычаг переключения диапазонов
динамометра (a-b), 8 – измерительный блок, 9 – кнопка включения вращения
ротора, 10 – кнопка включения вискозиметра, 11 – частотометр, 12 – прибор
стрелочного типа
Рис. 3.1. Фотография ротационного вискозиметра «Реотест-2»
Ротационный вискозиметр содержит станину 1 с синхронным
двигателем и 12-ступенчатой коробкой передач, вращающийся ротор 7,
неподвижный цилиндр 3, ведомый вал 4, пружинный динамометр 5,
ведущий вал 6, рычаг переключения 7 диапазонов динамометра, частотомер
46
8 тока, приборный потенциометр 9 величины крутящего момента, указатель
ступени 10 коробки передач и рычаг переключения передач 11.
Вискозиметр
"Реотест-RV"
("Реотест-2")
позволяет
проводить
измерения вязкости в пределах от 0,01 до 10000 Па*с; скорости сдвига от
0,1667 до 1458 с-1, напряжения сдвига от 12 до 3000 Па и температуры от –30
до 150 0С.
Схема вискозиметра представлена на рис. 3.2. Вместо неподвижного
цилиндра 3 и ротора вискозиметра 2 устанавливались перемешивающие
устройства. Из-за того, что вискозиметр позволяет изменять скорость
вращения ротора, получили возможность исследовать перемешивание на
разных скоростях.
1 - станина; 2 - ротор; 3 - неподвижный цилиндр;
4 - ведомый вал; 5 - пружинный динамометр; 6 - ведущий вал; 7 рычаг переключения диапазонов динамометра;
8 - частотомер;9 - приборный потенциометр; 10 - указатель ступени
коробки передач; 11 - рычаг переключения передач.
Рис. 3.2. Ротационный вискозиметр «Реотест - RV»
47
Для экспериментального исследования сконструировали мешалки 4
видов (рис. 3.3, 3.4): ленточные с узкой (рис. 3.3а) и широкой лентой
(рис.3.3б) Мебиуса, ленточные с узкой и широкой лентой Мебиуса, на
каждой из которых дополнительно установлены лопасти под углом 120о друг
к другу.
а)
б)
Рис. 3.3. Ленточные мешалки с узкой (а) и широкой (б) лентой
Мебиуса: 1 – шток, 2 – лента
48
а)
б)
Рис. 3.4. Ленточные мешалки с узкой (а) и широкой (б) лентой Мебиуса
и тремя дополнительными лопастями
Провели 3-D моделирование разработанных мешалок для более
наглядного представления.
3D модели представленных выше мешалок показаны на рис. 3.5.
49
а)
в)
б)
г)
Рис. 3.5. 3D модели ленточных смесителей (мешалок): а – узкий, б –
широкий, в – узкий с лопастями, г – широкий с лопастями
50
3.2 Подготовка образцов и последовательность проведения
эксперимента
Образцы
готовили
следующим
образом.
Варили
три
образца
крахмального клейстера с содержанием крахмала в количестве 50, 75 или
100 г на 1 литр воды. Клейстер охлаждали до температуры 44 оС, после чего
проводили эксперименты.
Эксперименты
проводили
следующим
образом.
В
емкость
крахмальным клейстером погружали мешалку (смеситель), установленную в
приводе вискозиметра (рис. 3.6).
Рис. 3.6. Емкость с водой и мешалкой перед включением вискозиметра.
51
Включали вискозиметр и задавали мешалке самую маленькую частоту
вращения. Записывали показания отклонения стрелочного прибора. Дальше
ступенчато увеличивали частоту вращения, доводя ее до максимального
значения. Каждый раз при увеличении частоты вращения записывали
показания стрелочного прибора.
Повторяли эксперимент с каждой мешалкой. Для каждого нового
эксперимента готовили свежий образец клейстера.
3.3 Результаты экспериментальных исследований и обработка
данных
Проводили эксперимент с крахмальным клейстером температурой 44оС
с содержанием крахмала 100 г на 1 литр воды. Для перемешивания
использовали последовательно каждую из мешалок.
Во
время
проведения
экспериментов
записывали
показания
стрелочного прибора при разной частоте вращения мешалки (таблица 3.1) и
определяли сопротивление перемешиванию (таблица 3.3).
Таблица 3.1. Показания стрелочного прибора от частоты вращения для
образца с 100 г крахмала
Частота
вращения n,
об/мин
0,56
1
1,67
3
5
9
15
27
Широкая с
лопастями
27
31
36
42
49
60
72
97
Тип мешалки
Узкая с
Широкая
лопастями
30
30
34
33
40
38
45
44
52
51
65
62
77
73
100
94
Узкая
30
35
41
46
53
64
74
91
По инструкции к вискозиметру «Реотест-2» определили соотношение
между частотой вращения ротора вискозиметра и скоростью сдвига (таблица
3.2).
52
Таблица 3.2. Зависимость скорости вращения от ступени передачи
№
п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Частота вращения
мешалки, об/мин
(ступень передачи
«a»)
0,56
1
1,67
3
5
9
15
27
45
81
135
243
Cкорость
сдвига D
(1/c)
0,333
0,6
1,0
1,8
3,0
5,4
9,0
16,2
27
48,6
81
145,8
Частота вращения
мешалки, об/мин
(ступень передачи
«b»)
0,28
0,5
0,83
1,5
2,5
4,5
7,58
13,5
22,5
40,5
67,5
121,5
Cкорость
сдвига D
(1/c)
0,167
0,3
0,5
0,9
1,5
2,7
4,5
8,1
13,5
24,3
40,5
72,9
Таблица 3.3. Зависимость сопротивления перемешиванию (Па) от
скорости сдвига D (1/c) для образца с 100 г крахмала
Cкоростm
сдвига D (1/c)
0,333
0,6
1,0
1,8
3,0
5,4
9
16,2
Широкая с
лопастями
227,34
261,02
303,12
353,64
412,58
505,2
606,24
816,74
Тип мешалки
Узкая с
Широкая
лопастями
252,6
252,6
286,28
277,86
336,8
319,96
378,9
370,48
437,84
429,42
547,3
522,04
648,34
614,66
842
791,48
Узкая
252,6
294,7
345,22
387,32
446,26
538,88
623,08
766,22
По данным таблицы 3.3 построили графики (рис. 3.7) зависимости
сопротивления перемешиванию (Па) от скорости сдвига D (1/c) для образца с
100 г крахмала.
53
Сопротивление
перемешиванию, Па
1000
100
0,1
1
10
100
Скорость сдвига D, 1/с
Широкая с лопастями
Узкая с лопастями
Широкая
Узкая
Рис. 3.3. Графики зависимости сопротивления перемешиванию от
скорости сдвига D (1/c) для образца с 100 г крахмала
Проводили
эксперимент
с
образцами
крахмального
клейстера
температурой 44оС с содержанием крахмала 50, 75 и 100 г на 1 литр воды.
Для перемешивания использовали широкую мешалку с лопастями. В таблице
3.4 представлены данные зависимости сопротивления перемешиванию (Па)
от частоты вращения мешалки n (об/мин) для образцов с 50, 75 и 100 г
крахмала.
Таблица 3.4. Зависимость сопротивления перемешиванию от частоты
вращения мешалки n (об/мин) для образцов с 50, 75 и 100 г крахмала
Частота вращения
мешалки n, об/мин
0,56
1
1,67
3
5
9
15
27
45
81
50
5,082
5,929
7,623
9,317
11,858
15,246
19,481
25,41
32,186
43,197
Содержание крахмала, г
75
16,94
21,175
25,41
30,492
38,962
49,126
61,831
80,465
126,3
159,98
100
109,46
126,3
134,72
151,56
168,4
193,66
244,18
286,28
353,64
454,68
54
Частота вращения
мешалки n, об/мин
135
243
50
57,596
79,618
Содержание крахмала, г
75
210,5
277,86
100
555,72
698,86
По данным таблицы 3.4 построили графики (рис. 3.8) зависимости
напряжения сдвига  (Па) от частоты вращения мешалки n (об/мин) для
образца с 100 г крахмала.
Сопротивление перемешиванию, Pa
1000
100
10
1
0,1
1
10
100
1000
Частота вращения мешалки n, об/мин
50г
75г
100г
Рис. 3.8. Графики зависимости сопротивления перемешиванию (Па) от
частоты вращения мешалки n (1/c) для образцов с 50, 75 и 100 г крахмала при
перемешивании широкой мешалкой с лопастями
55
Проводили эксперимент по перемешиванию крахмального клейстера
температурой 35-36 оС с содержанием крахмала 50 и 75 г на литр воды. Для
перемешивания использовали узкую мешалку с лопастями. В таблице 3.5
представлены данные зависимости напряжения сдвига  (Па) и вязкости
крахмального клейстера  (Пас) от скорости сдвига D (1/c) для образцов с 50
и 75 г крахмала.
Таблица 3.5. Зависимость напряжения сдвига  (Па) и вязкости
крахмального клейстера  (Пас) от скорости сдвига D (1/c) для образцов с 50
и 75 г крахмала
Cкорость
сдвига D, 1/с
0,333
0,6
1,0
1,8
3,0
5,4
9
16,2
27
48,6
81
145,8
Кол-во крахмала,
температура
50 г t = 35°С 75 г t = 36°С
, Па
, Па
5,082
16,94
5,929
21,175
7,623
25,41
9,317
30,492
11,858
38,962
15,246
49,126
19,481
61,831
25,41
80,465
32,186
126,3
43,197
159,98
57,596
210,5
79,618
277,86
Кол-во крахмала,
температура
50 г, t = 35°С 75 г, t = 36°С
, Па c
, Па c
15,26126
50,87087
9,881667
35,29167
7,623
25,41
5,176111
16,94
3,952667
12,98733
2,823333
9,097407
2,164556
6,870111
1,568519
4,966975
1,192074
4,677778
0,888827
3,29177
0,711062
2,598765
0,546077
1,905761
По данным таблицы 3.5 построили графики (рис. 3.9) зависимости
напряжения сдвига  (Па) и вязкости крахмального клейстера  (Пас) от
скорости сдвига D (1/c) для образцов с 50 и 75 г крахмала на 1 литр воды.
56
1
10
100
Касательное напряжение , Па
1000
100
10
10
1
1
0,1
1000
100
1
10
100
Вязкость , Пас
0,1
0,1
1000
Скорость сдвига D, 1/с
50 г
75г
50 г
75г
Рис. 3.9. Графики зависимости напряжения сдвига  (Па) и вязкости
крахмального клейстера  (Пас) от скорости сдвига D (1/c) для образцов с 50
и 75 г крахмала
Обработали графики зависимости напряжения сдвига  (Па) от
скорости сдвига D (1/c) для образцов с 50, 75 и 100 г крахмала при
перемешивании широкой мешалкой с лопастями.
Обработку проводили двумя уравнениями. Выбор уравнений для
обработки обусловлен видом получившихся графиков.
Первой уравнение для обработки выглядит следующим образом:

 = 0+kDn,
(3.1)
57
второе уравнение для обработки выглядит следующим образом:

 = ±(02/)+kDn,
(3.2)
где 0 – предел текучести, Па,
k – коэффициент консистенции,
D – скорость сдвига, 1/с,
n – индекс течения.
Графическим способом определили числовые значения параметров
уравнений 0, k, n и представили их в форме таблиц 3.6 и 3.7.
Таблица 3.6. Числовые значения параметров уравнения  = 0+kDn
Содержание
крахмала в воде,
г
100
75
50
Предел
текучести, Q0,
Па
31
9
3,2
Коэффициент
консистенции k
Индекс течения n
89
18,5
6
0,343
0,449
0,543
58
Таблица 3.7. Числовые значения параметров уравнения  = ±(02/)+knf
Содержание
крахмала в воде,
г
100
75
50
Предел
текучести, Q0,
Па
15
6
1,5
Коэффициент
консистенции k
Индекс течения n
90
20
5,5
0,329
0,434
0,468
По данным таблиц 3.6 и 3.7 построили графики (рис. 3.10, 3.11).
= 0+kDт
100
0,6
y = 0,046x2 - 5,3x + 155
R² = 1
90
y = -1E-05x2 - 0,002x + 0,695
R² = 1
70
0,5
60
50
0,45
40
Индекс течения, n
Предел текучести,0; коэф.консистенции, k
0,55
80
0,4
30
20
0,35
10
y = 0,013x2 - 1,388x + 40,2
R² = 1
0
0,3
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
Содержание крахмала, С
Q0
k
n
Рис. 3.10. Графики зависимости числовые значения параметров уравнений 0
(Па), k, n от содержания крахмала в воде С для уравнения (г)  = 0+kDn
59
=±(02/)+kDn
0,5
90
0,45
y = -6E-05x2 + 0,005x + 0,323
R² = 1
80
0,4
70
0,35
60
0,3
50
0,25
y = 0,044x2 - 4,97x + 143
R² = 1
40
Индекс течения, n
Предел текучести,0; коэф.консистенции, k
100
0,2
30
0,15
20
0,1
y = 0,003x2 - 0,27x + 6
R² = 1
10
0,05
0
0
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
Содержание крахмала, С
0
k
n
Рис. 3.11. Графики зависимости числовых значений параметров
уравнений 0 (Па), k, n от содержания крахмала в воде С (г) для уравнения 
= ±(02/)+kDn
Аппроксимировали графики (рис. 3.10, 3.11) полиномом второй
степени.
Для уравнения  = 0+kDn уравнения параметров выглядят так:

0 = 0,013C2 – 1,388C + 40,2;
(3.3)
k = 0,0464x2 – 5,3x + 155;
(3.4)
n = –110–5C2 – 0,0026C + 0,695.
(3.5)
60
Для уравнения  = ±(02/)+ kDn, уравнения параметров выглядят так:

0 = 0,0036С2 – 0,27С + 6;
(3.6)
k = 0,0444C2 – 4,97C + 143;
(3.7)
n = –610–5C2 + 0,0057C+ 0,323.
(3.8)
Сопоставили полученные графики с графиками известных мешалок
(рис. 3.12). Для этого наложили усредненный график, полученный при
перемешивании крахмального клейстера широким смесителем с лопастями,
на графики, полученные для турбинных смесителей разной конфигурации.
Из сравнения графиков видно, что графики турбинных мешалок лежат
выше
графика
разработанного
рабочего
органа
смесителя
с
дополнительными лопастями.
Это можно объяснить тем, что графики турбинных мешалок были
получены при перемешивании воды или близкой к ней по структуре
ньютоновской жидкости, а график разработанного рабочего органа смесителя
с дополнительными лопастями получен при перемешивании неньютоновской
среды – крахмального клейстера. Это подтверждается тем, что определенная
классическим способом кривая течения по форме похожа на график
сопротивления
вращению
перемешивающего устройства, со стороны
перемешиваемой среды.
Смещение кривой на графике для разработанного рабочего органа
ленточного смесителя - влево относительно оси координат можно объяснить
тем, что вязкость у крахмального клейстера (неньютоновской жидкости)
выше, чем у ньютоновской жидкости, и значение вязкости находится в
знаменателе при расчете числа Рейнольдса, то при подстановке в формулу,
получаются меньшие значения Рейнольдса.
Рис. 3.12. Графики известных турбинных мешалок и разработанного рабочего органа ленточного
смесителя с дополнительными лопастями
61
62
4 РАЗРАБОТКА ПЕРЕМЕШИВАЮЩИХ УСТРОЙСТВ
По результатам научных исследований были разработаны 4 ленточных
смесителя периодического действия разной конструкции: узкий (10 мм),
узкий с лопастями, широкий (14 мм) и широкий с лопастями (рис. 4.1).
Основными узлами смесителя являются – шток 1, лента 2 и лопасти 3. Шток
и лента присутствуют у всех смесителей, лопасть – у двух из четырех.
Особенностью разработанных рабочих органов смесителя является то,
что лента, которая используется в смесителе, сделана в виде бесконечной
ленты Мебиуса 2 (рис. 4.1) с одной поверхностью.
Лопасти 3 (рис. 4.1) приварены к бесконечной ленте сваркой по ГОСТ
16310-80-С3-Г односторонний сплошной шов.
а)
б)
Рис. 4.1. Узкий ленточный смеситель с лопастями:
а) чертеж, б) изометрия
63
Разработанные смесители могут использоваться в традиционных
аппаратах для перемешивания – вертикальных цилиндрических аппаратах с
мешалкой, ось вращения которой совпадает с осью корпуса аппарата.
а)
б)
Рис. 4.2. Широкий ленточный смеситель с лопастями: а) чертеж, б)
изометрия
Объѐм таких аппаратов с механическими мешалками составляет от
10 дм3 до 2000 м3. Основными элементами перемешивающих устройств
таких аппаратов чаще всего являются:
− вертикально расположенный консольный или однопролѐтный вал,
на котором размещены одна или несколько (до пяти) мешалок;
− уплотнение вала в месте его прохода через крышку аппарата;
− привод вала от электродвигателя через редуктор или клиноременную
передачу;
− муфта, соединяющая вал привода с валом мешалки.
64
а)
б)
Рис. 4.3. Узкий ленточный смеситель: а) чертеж, б) изометрия
В описанных выше аппаратах для перемешивания конструктивным
элементом, непосредственно предназначенным для приведения жидкости в
вынужденное движение, служит мешалка, которая может повторять
конструкцию разработанных нами, так и быть индивидуальной конструкции.
Практика показывает, что большинство задач перемешивания может быть
успешно решено путѐм использования ограниченного числа конструкций
мешалок: лопастные, турбинные, трѐхлопастные (пропеллерные), рамные,
якорные. При этом для отдельных типов мешалок существуют наиболее
характерные области применения и диапазоны геометрических соотношений.
65
а)
б)
Рис. 4.4. Широкий ленточный смеситель: а) чертеж, б) изометрия
Для выбора размеров ленточного смесителя – диаметра, высоты и т. д.
– используют критерии подобия, т. е. соотношения размеров выбираемой
мешалки и модельной.
Разработанные нами смесители могут быть приняты в качестве
модельных, тогда это позволит облегчить назначение размеров смесителей
для конкретной емкости с заданным внутренним диаметром и высотой (рис.
4.5).
При увеличении диаметра и высоты емкости перемешивающего
устройства (рис. 4.5) пропорционально увеличиваются размеры смесителя –
диаметр, высота и ширина лопасти.
66
Рис. 4.5. Геометрическое подобие емкостей и мешалок (смесителей)
При выборе размера смесителя относительно размеров емкости, в
которой проводится перемешивание, руководствуются теоремами подобия:
– подобные явления имеют идентичные соответствующие критерии
подобия (первая теорема подобия);
– любая зависимость между переменными, описывающими явление,
может быть представлена в виде зависимости между критериями подобия
(или безразмерными комплексами этих величин) (вторая теорема подобия);
– чтобы два явления были подобными, они должны иметь идентичные,
так называемые определяющие критерии подобия и подобные условия
однозначности; (третья теорема подобия).
67
ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ
1. По результатам анализа специальной технической литературы
изучена гипотеза механизма процесса перемешивания.
2.
Изучены
математическая
и
физическая
модели
процесса
перемешивания. При этом, установлено, что для описания процесса
используются критерии Рейнольдса, Фруда и Эйлера.
3.
Изучены
типы
перемешивающих
устройств
и
в
качестве
перспективных выбраны устройства с ленточными мешалками.
4. Разработаны рабочие чертежи 4 ленточных рабочих органов
смесителя по схеме листа Мебиуса, в том числе и с дополнительными
лопастями.
5.
Изготовлены
новые
рабочие
органы
лабораторно-
экспериментального смесителя периодического действия.
6.
С использованием разработанных рабочих органов проведено
исследование
процесса
перемешивания
крахмального
клейстера
с
содержание крахмала 50, 75 и 100 г на 1 литр воды в диапазоне изменения
частоты вращения от 0,28 до 243 об/мин.
7. На ротационном вискозиметре Реотест-2 исследованы реологические
свойства неньютоновских жидкостей – смесей крахмала с водой. Построены
графические зависимости напряжения сдвига (Па) от скорости сдвига и
рассчитаны соответствующие значения вязкости.
8. Описаны конструкции новых ленточных рабочих органов смесителя
периодического действия.
68
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Авербах А.Ю., Лещенко В.А. Оценка степени гомогенизации в
смесительных устройствах. // Тез. докл. всесоюз. науч. конф. "Повышение
эффективности, совершенствование процессов и аппаратов химических
производств". В 2 ч. Харьков. - 1985. - 4.1. -С. 114.
2. Барабаш
В.М.,
Брагинский
Л.Н.,
Випшеэская
О.Е.
Расчет
непрерывного процесса растворения в аппаратах с мешалками // ТОХТ. –
2004. - Т. XVIII. - №6. - С. 744-748.
3. Белевицкая, М.А. Получение устойчивых эмульсий в аппаратах с
мешалками / М.А. Белевицкая, В.М. Барабаш // Теоретические основы
химической технологии. – 2006. – Т. 28, № 4. – С. 342 – 348.
4. Белоцерковский О.М. Численное моделирование в механике
сплошных сред: 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Физматлит, 2004. – 448 с.
5. Богданов В.В., Христофоров Е.Н., Клоцунг Б.А. Эффективные
малообъемные смесители. – СПб.: Химия, 2005. – 224 с.
6. Брагинский Л.Н., Бегачев В.И., Барабаш В.М. Перемешивание в
жидких средах: Физические основы и инженерные методы расчета. – СПб.:
Химия, 2004. – 336 с.
7. Бэтчелор Д.К. Теория однородной турбулентности. – М.: Изд-во
иностр.лит., 2006. – 215 с.
8. Васильцов Э.А., Ушаков В.Г. Аппараты для перемешиваания
жидких сред. – СПб: Машиностроение, 2005. – 272 с.
9. Галицейский
гидродинамические
А.С.,
Рыжов
процессы
в
Ю.А.,
Якуш
колеблющихся
Е.В.
Тепловые
потоках.
–
и
М.:
Машиностроение, 2007. – 256 с.
10. Гельперин Н.Н., Пебалк В.Л., Костанян А.Е. Структура потоков и
эффективность колонных аппаратов химической промышленности. – М.:
Химия, 2007. – 260 с.
69
11. Гиневский А.С., Власов Е.В. Аэроаккустические взаимодействия. –
М.: Машиностроение, 2008. – 177 с.
12. ГОСТ
206080–2002.
Аппараты
с
механическими
перемешивающими устройствами. Общие технические условия. – Введ. с
30.05.2002. – М., 2002. – 16 с.
13. Некрутов
В.Г.
Компьютерное
моделирование
процесса
перемешивания технологических сред в пищевой промышленности //
Известия вузов. Пищевая технология. – 2011г. – №2-3. – с. 76-83.
14. Исследование теплообмена в роторных аппаратах. / Романов Н.А.,
Варенцов И.А., Щупляк И.А., Титов Б.А. // Высокоэффективные машины и
аппараты для обработай гетерогенных сред: – Межвуз. сб. науч. трудов. –
СПб.: СпбТИ, 2004. – С. 81-85.
15. Каган, Б.А. Об индуцируемом внутренними приливными волнами
диапикническом перемешивании в Северном Ледовитом океане Текст. / Б.А.
Каган, Е.В. Софьина, А.А. Тимофеев // Известия РАН. Сер. ФАО. -2010. Т.
46. Вып. 2. -С. 246-254.
16. Кондаков, Л.А. Уплотнения и уплотнительная техника : справочник
/ Л.А. Кондаков А.И. Голубев. – М. : Машиностроение, 2004. – 448 с.
17. Константинов Я.М. Современные технологические процессы и
оборудование
пищевой
и
химической
промышленности
Кузбасса.–
М.:КолосС, 2003. – С. 84-88.
18. Осипов А.В. О гидромеханических особенностях перемешивания
гетерогенных сред с наложением механических колебаний // ТОХТ. – 2004.
Т. XV. – №3. – С. 416-423.
19. Остриков А.Н., Горбатова А.В. - Исследование кинетики процесса
перемешивания
спредов
при
переменном
теплоподводе
//
Вестник
Воронежского государственного университета инженерных технологий. –
2015г. – №2. – с. 52-59.
20. Оценка структуры потоков в аппаратах с рамными и якорными
мешалками / Ю.В. Шариков, А.П. Дарманян, С.Д. Букреев, Е.С. Дунюшкин,
70
Н.В. Тябин // Химическая промышленность. – 2004. – Т. 67, № 11. – С. 44 –
51.
21. Прямоточные аппараты с перемешивающими устройствами / Сост.
П.А.Окацкий, П.Н.Свичар, С.З.Лозовский, Г.В.Дмитриева. – М.: ЦИНТИ
химнефтемаш, 2004. – 55 с.
22. Соломаха, Г.П. Масштабирование массообмена в системах газ –
жидкость в аппаратах с механическим перемешиванием / Г.П. Соломаха, Т.А.
Тарасова // Теоретические основы химической технологии. – 2008. – Т. 32, №
5. – С. 502 – 506.
23. Стренк Ф. Перемешивание и аппараты с мешалками. / Пер. с
польск. под ред. Щупляка И.А. – СПб., Химия, 2005. – 384 с.
24. Тимонин, А.С. Основы конструирования и расчѐта химикотехнологического и природоохранного оборудования : справочник / А.С.
Тимонин. – Калуга : Изд-во Н. Бочкарѐвой, 2005. – Т. 1. – 852 с.
71
Приложение А
Таблица А.1. Зависимость скорости вращения от ступени передачи
№
п\п
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Частота вращения
мешалки, об/мин
(ступень передачи
«a»)
0,56
1
1,67
3
5
9
15
27
45
81
135
243
Cкорость
сдвига D
(1/c)
0,333
0,6
1,0
1,8
3,0
5,4
9
16,2
27
48,6
81
145,8
Частота вращения
мешалки, об/мин
(ступень передачи
«b»)
0,28
0,5
0,83
1,5
2,5
4,5
7,58
13,5
22,5
40,5
67,5
121,5
Cкорость
сдвига D
(1/c)
0,167
0,3
0,5
0,9
1,5
2,7
4,5
8,1
13,5
24,3
40,5
72,9
72
Приложение Б
В приложении Б приведены фотографии разработанных смесителей и
процесса перемешивания.
а)
б)
в)
г)
Рис. Б.1. Фотографии разработанных смесителей, установленных на
вискозиметре «Реотест-2»: а) узкий, б) широкий, в) узкий с лопастями;
г) широкий с лопастями
73
а)
б)
в)
г)
Рис. Б.2. Лабораторно-экспериментальные смесители: а) узкий, б) узкий с
лопастями, в) широкий, г) широкий с лопастями
а)
б)
Рис. Б.3. Виcкозиметр и лабораторно-экспериментальные смесители (а) и
процесс перемешивания (б)
i ТВОРИТЕ
АНТИПЛАГИАТ
■
СОБСТВЕННЫМ УМОМ
Орловский государственный
университет имени И.С. Тургенева
СПРАВКА
о результатах проверки текстового документа
на наличие заимствований
Проверка выполнена в системе
Антиплагиат.ВУЗ
Автор работы
Евсеев Максим Вячеславович
Факультет, кафедра,
номер группы
Политехнический институт имени Н.Н.Поликарпова, кафедра машиностроения
Тип работы
Магистерская диссертация
Название работы
ВКР_Евсеев_Перемешивание (АП)
Название файла
ВКР_Евсеев__Перемешивание (АП).босх
Процент заим ствования
31,37%
Процент цитирования
0,00%
Процент оригинальности
68,63%
Дата проверки
15:52:08 26 июня 2018г.
Модули поиска
Сводная коллекция ЭБС; Коллекция РГБ; Цитирование; Коллекция eLIBRARY.RU;
Модуль поиска "ФГБОУ ВО ОГУ им. И.С.Тургенева"; Кольцо вузов
Работу проверил
Гончаровский Дмитрий Александрович
ФИО проверяющего
Дата подписи
26.
Ов
Подпись проверяющего
Чтобы убедиться
8 подлинности справки,
используйте QR-код, который
СоАержит ссылку на отчет.
Ответ на вопрос, является ли обнаруженное заимствование
корректным, система оставляет на усмотрение проверяющего.
Предоставленная информация не подлежит использованию
в коммерческих целях.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа