Теоретическое обоснование метода дистанционного диагностирования процесса смешивания дисперсных материалов в конструкции смесителей периодического действия вибрационного типа

Теоретическое обоснование метода дистанционного диагностирования процесса смешивания дисперсных материалов в конструкции смесителей периодического действия вибрационного типа

В.А. Пушко, к.т.н., И.Г. Бойко, соискатель, Оренбургский ГАУ

Существующие методы оценки качества смешивания дисперсного материала основаны главным образом на принципах статистического анализа, ориентированного прежде всего на контактное установление кинетических закономерностей, полученных по внутрисистемной связи при построении механизма смесеобразования в традиционных схемах смесителей периодического действия.

Это позволяет в большей степени учесть фракционный состав исходных компонентов, их соотношение по объёму и плотности, а также целый ряд структурных показателей, незначительно влияющих на однородность приготавливаемых смесей как на стадиях проектирования, так и в условиях производственной реализации комбикормовой, пищевой и ряда других смежных отраслей промышленности.

Наиболее полно отвечает высоким требованиям, предъявляемым современным комбикормовым производством, метод бесконтактного диагностирования, непосредственно направленный на изучение технического состояния подвижного рабочего органа во время совместного воздействия (при теплопередаче) на твёрдые частицы дисперсного материала в корпусе смесителя периодического действия [1].

Материалы и методы. Метод дистанционного диагностирования процесса смешивания дисперсных материалов в конструкции смесителей периодического действия в настоящее время недостаточно представлен не только на этапах исследования, но и на стадиях проектирования нового смесительного оборудования вибраци-

онного типа. В Оренбургском государственном аграрном университете был разработан специализированный исследовательский комплекс на основе традиционной схемы смешивания (рис.).

В основу предлагаемого метода положено техническое использование ВКУ — видеокон-трольного устройства тепловизора, а общая схема построена на наблюдении с помощью ВКУ за движением частиц в корпусе (смесителя), с учётом загрузки за весь период смешивания в соответствии со структурным составом смеси (согласно рецептуре премикса) [2].

Метод выполняется следующим образом. На первой, начальной стадии дистанционного диагностирования готовятся фракционные составляющие смеси (согласно рецептуре премикса), где процесс смешивания в корпусе смесителя проходит по участкам информативности (а), (в), (с), которые условно ограничены центрирующими контрольными полосами цилиндрического корпуса. Степень однородности смеси будет зависеть от времени пребывания и геометрических размеров типовой зоны смесителя, механических характеристик и теплофизических свойств дисперсных материалов в зоне, скорости подачи материала в зону, частоты вращения и геометрических размеров подвижного рабочего органа — шнека.

Вторая, конечная стадия дистанционного диагностирования, в большей мере дополняемая и совместно выполняемая с первой, начинается с формирования оператором теплового изображения в целях получения достаточно полной информации о техническом состоянии шнека.

В процессе динамического воздействия на дисперсную среду в корпусе смесителя периодического действия на экране ВКУ тепловизора

Рис. - Общая схема построения предлагаемого метода на основе специализированного исследовательского комплекса (патент Ш 2342983 С 2 кл. В 01 Р 3/00, 2009):

I - корпус; 2 - центрирующие контрольные полосы; 3 - горловины загрузки, выгрузки (не показаны); 4, 5 - опоры корпуса; 6 - насадки; 7 - механизм перемешивания; 8 - сменные шнеки; 9 - неподвижная станина; 10 - винтовой механизм;

II - винт; 12 - маховик; 13 - продольный механизм; 14 - площадка крепления; 15 - сектор; 16 - видеоконтрольное устройство тепловизора

в установленном оператором температурном уровне (интервале) и в пределах условно обозначенного (для бесконтактного анализа) участка информативности (а) формируется кадр первого теплового изображения с известным числом элементов разложения.

Это достигается следующим образом. Оператор фокусирует ВКУ в выбранной последовательности по участкам информативности (а), (в), (с) с известным числом элементов разложения: видеосигнал подаётся на первый участок информативности (а) и подчёркивает условно обозначенные границы данного участка (а). При соответствующем усилении с учётом проведённой ранее коррекции на первой стадии предварительной настройки для увеличения теплового контраста участка информативности (а), где в зависимости от размера анализируемого состава смеси на линейную длину теплового изображения приходится то или иное количество частиц дисперсного материала. Достоверность пограничных линий между частицами (точками) может быть определена только по реальному температурному изменению их поверхности, то есть пороговая фильтрация полученного изображения будет зависеть от характерных температурных перепадов.

Предлагаемый метод дистанционного диагностирования допускает стандартизацию съёма первичной информации о техническом состоянии исследуемого объекта — подвижного рабочего органа — по тепловым изображениям, воспроизведённым в условных границах обозначенных участков информативности с известным числом элементов разложения. В каждом кадре полученного изображения при бесконтактном анализе информативной совокупности (ё) — типовой зоны смесителя по участкам информативности (а), (в), (с) — установлено количество реальных температурных перепадов (температурных колебаний), а именно переходов от более высоких температур, инициатором которых является шнек, к менее низким температурам — дисперсная среда.

Следует отметить, что методы и устройства для определения теплофизических характеристик (ТФХ) дисперсных материалов классифицируются по соответствующим признакам:

— общности теории;

— сходству режимов работы;

— количеству получаемой из одного опыта экспериментальной информации;

— температурному интервалу испытаний;

— характеру исследуемого материала;

— принципам измерений температуры и количества тепла и т.д. [3].

В качестве классификационного признака общности теории и принципов измерений выделяются четыре основные группы методов измерения ТФХ:

— балансные;

— на основе стационарного режима;

— на основе регулярного режима;

— при нестационарном режиме нагрева.

При этом каждая из представленных групп

имеет ограниченное применение в силу специфических тепловых измерений свойств различных по своей природе материалов [4].

Следовательно, исходя из вышеперечисленной классификации, с целью определения динамического нагрева дисперсного материала при вибрационном фоне для данного случая, можно установить метод нестационарного режима, где рассматривается изменение температуропроводности (а), теплопроводности (к) и объёмной теплоёмкости (ср) в зависимости от температуры и влажности дисперсной смеси, в конструкции смесителя периодического действия вибрационного типа [5].

Вибрационные эффекты, наблюдаемые в рассматриваемой конструкции при формировании однородности смеси, вызывают определённые сложности в физическом моделировании, так как невозможно одновременно установить взаимодействие основных геометрических и технологических параметров смесителя вибрационного типа с теплофизическими и виброреологиче-скими характеристиками исходного материала.

Как известно, теоретические положения, непосредственно направленные на изучение вопроса виброреологии, включают следующие этапы: описание реологических свойств среды, обрабатываемых вибромашинами; исследование связей между реологическими параметрами среды и амплитудно-частотной характеристикой вибромашины; выбор таких параметров вибрации, при которых происходит наибольшее разрушение связей в структуре [6].

Таким образом, при теоретическом обосновании процесса вибрационного смешивания дисперсных материалов необходимо рассмотреть траектории перемещения и наложения вибрационных воздействий на дисперсный материал по рабочим зонам ёмкости смесителя, то есть зоны начального внедрения, зоны нерегулярного режима и зоны температурной стабильности для нескольких перфорированных лопаток с учётом двухпараметрического уравнения Колмогорова — Фоккера — Планка:

йс ттг йс —— й2 с й йс ^

— = -Ж-----+ Бг---- + —^------

й йх йх Я йЯ йЯ

где Бь — коэффициент продольного перемешивания;

Б — коэффициент поперечного перемешивания;

Я — радиус поперечного сечения аппарата; с — концентрация;

I — время; х — координата;

Ж — линейная скорость потока [7].

В результате интенсивность нагрева исследуемого материала при вибрационном фоне в отличие от традиционной схемы смешивания можно представить в виде краевых условий для температурного поля среды, если известны распределение температуры (начальное условие) и закон взаимодействия с окружающей средой (граничное условие) [8].

Так, в определённый момент времени начальное условие в общем случае задаётся в виде:

Т (х, у, г,0) = / (х, у, г),

в частном случае:

Т (х, у, г,0) = Т0 = сот1,

где х, у, г — текущие координаты;

Т — температура в произвольной точке;

Т0 — начальная температура.

Выводы. Повышение производительности проектируемого смесительного оборудования вибрационного типа, качество получаемых смесей, а также снижение энергоёмкости в первую очередь зависят от управления процессом вибрационного смешивания дисперсного материала. При этом программа контроля динамического нагрева должна включать измерение и отображение диагностической информации в реальном режиме времени, с расчётом теплофизических и виброреологических характеристик дисперсного материала, с последующим сохранением и статистической обработкой полученных результатов в MathCAD.

Литература

1. Пушко В.А., Бойко И.Г. Метод дистанционного диагностирования процесса смешивания дисперсных материалов в конструкции смесителей периодического действия // Научно-технический прогресс в животноводстве — инновационные технологии и модернизация в отрасли: сб. науч. трудов. Т. 22. Ч. 3. М.: ГНУ ВНИИМЖ Россельхозакадемии, 2011. С. 57-63.

2. Измерительные приборы в промышленности: каталог-справочник. СПб.: Крисмас+, 2000.

3. Гинзбург А.С., Громов М.А. Теплофизические свойства зерна, муки, крупы. М.: Колос, 1984. 304 с.

4. Филатов В.В. Установка для экспериментальных исследований тепло-физических характеристик зернистых сыпучих материалов // Хранение и переработка сельхозсырья. 2011. № 4. С. 18-21.

5. Патент № 2256492 RU Вибрационный смеситель периодического действия / С.А. Соловьёв, В.А. Пушко, А.В. Салтанов. Оренбургский государственный аграрный университет. За-явл. 28.07.03, опубл. 20.07.2005. Бюл. № 20.

6. Овчинников П.Ф. Виброреология. Киев: Наук. думка, 1983. 272 с.

7. Макаров Ю.И. Аппараты для смешения сыпучих материалов. М.: Машиностроение, 1973. 215 с.

8. Лыков А.В. Методы определения теплопроводности и температуропроводности. М.: Энергия, 1973. 336 с.