Дозирование
 Скачать 5.11 Mb.
|
|
Рис. 5.2. Дозатор ДВА-1 Исходный продукт засыпается в бункер дозатора вручную или с помощью загрузочного элеватора. Принцип действия дозатора состоит в контролируемом наборе заданной дозы в грузоприемном устройстве. В начале цикла дозирования вибролоток дозатора начинает работу и продукт подается в грузоприемный ковшик. При достижении заданной массы дозы подача продукта прекращается. По команде разгрузки днище ковша открывается и происходит выгрузка сформированной дозы. Адаптивный алгоритм дозирования позволяет поддерживать постоянство массы дозы при изменяющихся условиях работы (напряжение питания, температура, сыпучесть и плотность дозируемого продукта и т.п.). Установка требуемой дозы, производительности и изменение других параметров дозирования осуществляются с пульта управления, на котором отображаются текущие значения параметров работы (масса дозы, суммарная масса доз). Логика работы двух- и трехканальных модификаций дозатора предусматривает, что по команде разгрузки произойдет открывание того ковшика, в котором доза была сформирована раньше. Дозатор может применяться автономно или в комплекте с упаковочным оборудованием, в составе различных технологических линий пищевых и химических производств. Компания "Brabender-technologie" использует при порционном дозировании технологию "Gain-in-weight". На рисунке 5.3 показан порционный весовой дозатор MicroBatch MB2 [5]. Компания выпускает три модификации: MicroBatch MB2; MicroBatch MB10; MicroBatch MB50. Максимальный вес дозы соответственно равен: 4; 7,5; 50 кг. Для порционного дозирования плохосыпучих материалов могут быть использованы дозаторы со шнеком, например весовой автоматический дозатор ДВП-3 (рис. 5.4) [6]. Вес одной дозы от 2 до 3 кг. Максимальная производительность дозатора 1500 кг/ч. Дозатор предназначен для автоматического формирования дозы заданной массы продуктов типа: мука, крахмал, стиральный порошок, строительные смеси и т.п. Шнековая подача материала в грузоприемный ковш, а также специальный ворошитель дозируемого материала в наддозаторном бункере делают дозатор ДВП-3 идеальным решением для дозирования муки. Класс точности 1 по ГОСТ 10223–97. Принцип действия дозатора состоит в контролируемом наборе заданной дозы в грузоприемном устройстве. По началу цикла дозирования шнек питателя дозатора начинает работу и продукт подается в грузоприемный ковшик. При достижении заданной массы дозы подача продукта прекращается. По команде разгрузки днище ковша открывается и происходит выгрузка сформированной дозы. При более высокой насыпной массе продукта диапазон формируемых доз может быть расширен до 6 кг. Адаптивный алгоритм дозирования позволяет поддерживать постоянство массы дозы при изменяющихся условиях работы (напряжение питания, температура, сыпучесть и плотность дозируемого продукта и т.п.). Рис. 5.3. Дозатор MicroBatch MB2 Рис. 5.4. Порционный дозатор ДВП-3 Установка требуемой дозы, производительности и изменение других параметров дозирования осуществляется с пульта управления, на котором отображаются текущие значения параметров работы (масса дозы, суммарная масса доз). Одновременно с дозированием ведется автоматический учет количества доз и суммарной массы отдозированного продукта. Дозатор может применяться автономно или в составе различных технологических линий пищевых и химических производств. 5.1.2. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ОТДЕЛЬНЫХ ПОРЦИЙ В НЕПРЕРЫВНЫЙ ПОТОК Учитывая функциональное назначение преобразователя отдельных порций в непрерывный поток, данное устройство должно обладать хорошей сглаживающей способностью. Это означает, что дискретный сигнал на входе в устройство должен быть преобразован в непрерывный сигнал на выходе и амплитуда флюктуаций на выходе должна быть значительно меньше, чем на входе. Первый вариант преобразования отдельных порций в непрерывный поток был реализован в гладкой вращающейся трубе [7, 8], поскольку известно, что вращающаяся труба обладает хорошей сглаживающей способностью [9, 10]. В дальнейшем, для преобразования отдельных порций в непрерывный поток мы использовали наклонный вибрирующий лоток [11] и двухшнековый питатель [12]. Несмотря на существенные различия в конструкциях преобразователей, алгоритмы их исследования и расчета во многом схожи. Так, например, связующим звеном между первой (формирование отдельных порций) и второй (преобразование отдельных порций в непрерывный поток) стадией процесса является загрузка отдельных порций в преобразователь. Загрузку можно характеризовать интервалом времени между подачей отдельных порций (∆ Т) и интенсивностью подачи отдельной порции, т.е. интервалом времени (∆Т L ), за которое отдельная порция загружается в преобразователь. Как показывают результаты экспериментальных исследований, после загрузки отдельной порции, например во вращающуюся трубу, порция сыпучего материала постепенно распределяется по ее длине и частицы целенаправленно перемещаются от загрузочного края трубы к разгрузочному краю. Для определения производительности и прогнозирования точности непрерывного дозирования необходимо иметь математическое описание процессов распределения порции (изменение ее формы) и осевого движения частиц. До настоящего времени исследовалось осевое движение частиц во вращающейся трубе либо при установившемся режиме (когда площади, занимаемые зернистым материалом в поперечных сечениях трубы, не изменяются во времени) [10, 13 – 15], либо когда идет распределение одной порции по длине горизонтальной трубы, закрытой по торцам [16]. В нашем случае процесс движения является неустановившимся, поскольку отдельные порции подаются в трубу периодически. Более того, на режим движения оказывает существенное влияние способ выгрузки материала из трубы (подпорные кольца, перфорации в обечайке и т.д.), а также сегрегация полидисперсного материала (скорость образования ядра сегрегации, способы и устройства разрушения этого ядра и т.д.). Аналогичные проблемы возникают при использовании в качестве преобразователя вибрирующего лотка или двухшнекового питателя. Учитывая вышесказанное, рассмотрим более подробно каждый из вариантов устройства для преобразования отдельных порций в непрерывный поток. 5.2. ТРУБЧАТЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Как отмечалось ранее, машины барабанного типа, основным рабочим органом которых является вращающаяся труба, обладают хорошей сглаживающей способностью, т.е. существенно сглаживают флюктуации входного потока. Учитывая это, в качестве устройства для преобразования отдельных порций материала в непрерывный поток можно использовать гладкую вращающуюся трубу, ось вращения которой горизонтальна или наклонена к горизонту под небольшим углом. Трубчатые питатели объемного принципа действия достаточно широко и успешно используются в производстве [10]. Прежде, чем моделировать процесс преобразования отдельных порций в непрерывный поток, необходимо рассмотреть движение сыпучего материала в поперечном сечении вращающейся трубы и вдоль ее оси. 5.2.1. ДВИЖЕНИЕ МАТЕРИАЛА В ПОПЕРЕЧНОМ СЕЧЕНИИ ТРУБЫ В настоящее время можно выделить три основных подхода к описанию движения зернистого материала: модель жидкости с особыми свойствами; модель среды, внутреннее трение в которой подчиняется закону Кулона; так называемый "одночастичный подход", согласно которому движение сыпучего материала рассматривается как осредненное движение отдельных частиц. Рис. 5.5. Движение сыпучего материала в поперечном сечении вращающейся трубы В поперечном сечении гладкого вращающегося цилиндра материал можно разделить на два слоя: поднимающийся (зона АСВМ, рис. 5.5) и скатывающийся (зона АСВN). Осевое движение частиц происходит только во время их пребывания в скатывающемся слое, поэтому для расчета трубчатого преобразователя отдельных порций в непрерывный поток необходимо знать границу раздела слоев. В работе [17] описан энергетический подход к описанию движения сыпучего материала в поперечном сечении гладкого вращающегося барабана. В основу подхода положена гипотеза о постоянстве потенциальной энергии, которая сформулирована в следующем виде. При установившемся движении в поле гравитационных сил система достигает такого положения, при котором ее потенциальная энергия равна возможному минимуму, причем достижение указанного состояния происходит путем уменьшения массы системы за счет перехода части частиц за границу системы. Применительно к описанию движения сыпучего материала в поперечном сечении гладкого вращающегося цилиндра под системой понимается совокупность частиц, неподвижных относительно обечайки цилиндра. В поднимающемся слое частицы движутся по концентрическим окружностям с центром на оси вращения и с угловой скоростью, равной скорости вращения цилиндра. Таким образом, частицы, находящиеся в поднимающемся слое, неподвижны относительно цилиндра, поэтому поднимающийся слой часто называют неподвижным слоем. В неподвижном цилиндре весь сыпучий материал входит в систему, а во вращающемся – только частицы, находящиеся в поднимающемся или неподвижном слое (зона АСВМ, рис. 5.5). При непрерывном дозировании очень важно знать, в каком режиме движется сыпучий материал. Очевидно, что в режиме периодических обрушений из трубы будет высыпаться не непрерывный поток, а отдельные порции. При достижении открытой поверхностью материала угла α ω (рис. 5.6) первоначально происходит сдвиг материала по линии А ω СВ ω , а затем материал из зоны CNA ω A д перемещается в сегмент с открытой поверхностью А д В д Для аналитического описания процесса обрушения сделаны следующие допущения (рис. 5.6, б): – граница А ω СВ ω изначального сдвига сыпучего материала определяется из условия равенства потенциальной энергии материала, находящегося в зоне А ω СВ ω М, минимальной потенциальной энергии системы; – время перераспределения материала из положения А ω В ω в положение А д В д равно времени движения частицы из точки С ω в точку С д ( С ω и С д – центры тяжести соответственно зон В ω А ω А д C и В д А д C B ω ). Рис. 5.6. Схема к расчету режима движения сыпучего материала Угол α ω наклона открытой поверхности сыпучего материала, при котором происходит переход от состояния покоя к движению, найдем из условия равновесия отдельной частицы [18]: ( ) ( ) 0 cos sin cos sin 0 п 0 2 п = δ + δ ω − α − α ω ω f R m mg f mg , (5.2) ( ) п п 0 2 sin arcsin α + α + δ ω = α ω g R . (5.3) Данная формула наглядно показывает влияние на численное значение угла α ω основных режимных и геометрических параметров барабана и свойств зернистого материала: радиуса барабана и угловой скорости его вращения, которые учитываются относительной скоростью ω 2 / ω 2 кр = ω 2 R/g; степени заполнения барабана материалом, угла δ 0 ; угла трения покоя сыпучего материала α п . Из формулы видно, что если сумма углов α ω и δ 0 превышает π/2, то при прочих равных условиях численное значение угла α ω уменьшается. Данный факт имеет строгое физическое объяснение, поскольку в рассматриваемом случае точка А ω находится выше горизонтального диаметра и направление центробежной силы m ω 2 R не совпадает с направлением силы гравитации. Далее, используя энергетический подход и зависимости, приведенные в работах [18 – 20], можно определить границу обрушения, т.е. координаты точки C. Координаты центра тяжести зоны В ω А ω А д С определим, как координаты сложной фигуры, состоящей из зоны 1 – В ω NC, ограниченной отрезком параболы СВ ω и прямыми BN и NС, и зоны 2 – CNA ω A д 5.2.2. ОСЕВОЕ ДВИЖЕНИЕ МАТЕРИАЛА При использовании гладких вращающихся барабанов или труб осевое движение зернистого материала определяет производительность дозатора и его точность. Наиболее детальные теоретические и экспериментальные исследования трубчатых дозаторов были проведены в Московском институте химического машиностроения под руководством доцента Ю.А. Репкина. Производительность трубчатого дозатора рассчитывалась по следующей формуле [10, 21]: 3 d K Q ρω = , (5.4) где K – коэффициент подачи; ρ – насыпная плотность сыпучего материала, г/см 3 ; ω – угловая скорость вращения трубы, с –1 ; d – внутренний диаметр трубы, см. Были получены значения коэффициента подачи для гладких цилиндрических труб и труб, диафрагмированных на выходе. Проведенные экспериментальные исследования показали удовлетворительную сходимость расчетных и экспериментальных данных. Значения коэффициента подачи K могут быть использованы для расчетов основных параметров дозатора. Регулирование производительности осуществляется изменением угла наклона трубы или диаметра диафрагмы. К недостаткам расчетной зависимости (5.4) следует отнести необходимость экспериментального определения значения коэффициента подачи ( K) и невозможность прогнозирования точности дозирования. В работах [22, 23] для описания движения сыпучего материала вдоль оси гладкого вращающегося барабана использован одночастичный подход. Теоретические и экспериментальные исследования движения сыпучего материала во вращающейся трубе с малым диаметром приводятся в работах [24, 25]. При аналитическом описании осевого движения сыпучего материала авторы данных работ использовали модель, согласно которой осевое перемещение частиц осуществляется за счет их периодического скатывания по открытой поверхности материала, находящегося во вращающемся цилиндре. Экспериментальные исследования проводились на трубе с диаметром 7,62 см и длиною 40 см. Угловая скорость вращения изменялась в диапазоне (0,078…0,366) от критической. В качестве сыпучего материала использовались частицы с диаметрами: 125,5; 214,5; 387,5 мкм. Исследования проводились при трех коэффициентах заполнения трубы сыпучим материалом: 16,2; 27 и 37,8 %. В работах приводится сравнение расчетных параметров с результатами проведенных экспериментов, а также с опытными данными других исследований. Отмечается удовлетворительная сходимость теории и эксперимента. Работы [24, 25] являются весьма интересными, однако они не могут быть использованы для описания неустановившегося режима движения сыпучего материала во вращающемся цилиндре, т.е. когда с течением времени постоянно изменяется степень заполнения цилиндра сыпучим материалом. Результаты теоретических и экспериментальных исследований осевого движения сыпучего материала во вращающемся трубчатом дозаторе приводятся в работе [26], при этом были сделаны следующие допущения: 1) коэффициент заполнения трубчатого дозатора материалом в данный момент постоянен по всей длине и равен коэффициенту заполнения в конце процесса; 2) загрузка материала в трубе движется без проскальзывания относительно трубы, т.е. коэффициент трения между материалом и трубчатым дозатором равен коэффициенту внутреннего трения материала. Следует отметить, что второе допущение представляется достаточно обоснованным, а первое не может быть использовано при математическом описании процесса преобразования отдельных порций материала в непрерывный поток. Это объясняется тем, что количество сыпучего материала, находящегося в трубе, периодически изменяется, а следовательно, коэффициент заполнения непостоянен во времени. Экспериментальная проверка полученной зависимости проводилась в серии опытов на трубчатом дозаторе при угловых скоростях его вращения в диапазоне 0,2…0,6 от критической угловой скорости. Коэффициент заполнения изменялся от 0,1 до 0,25. Угол естественного откоса сыпучего материала был равен 45 °. В экспериментах использовались трубчатые дозаторы с отношением D L > 20. Для трубчатого преобразователя отдельных порций в непрерывный поток нецелесообразно использовать такие большие отношения D L Учитывая это, несмотря на хорошую сходимость расчетных и экспериментальных значений t (отклонение не превышало 10 %), необходимо экспериментально проверить возможность использования предлагаемых зависимостей при D L < 6. Таким образом, рассмотренные выше подходы к описанию осевого движения сыпучего материала неприменимы для описания неустановившегося режима движения. В работе [27] рассмотрено движение частиц при неустановившемся режиме движения, т.е. с учетом изменяющегося во времени распределения частиц предыдущих порций по длине трубы. На рисунке 5.7 показана схема движения частиц сыпучего материала вдоль оси барабана. Рассмотрим перемещение частиц с произвольного участка K. Будем считать, что частицы данного участка переходят из поднимающегося слоя в скатывающийся в точке А k . Заканчивать свое движение в скатывающемся слое частицы будут в точках В k+1 , В k+2 и т.д. до точки В j , которой соответствует максимальный угол ската. На рисунке 5.8 показана схема для расчета угла ската ε. Рис. 5.7. Схема движения СМ вдоль оси барабана Рис. 5.8. Схема к определению угла максимального ската Из геометрических соотношений значение угла ε определяется по следующей формуле: ( ) ( ) ( ) [ ] − + − − = ε 5 , 0 2 2 arctg Ak Bj Ak Bj Bi Ak kj Z Z X X Y Y . (5.5) Изменяя значение j от k + 1 в сторону увеличения, находим значение j max , которому соответствует угол ε max максимального ската. При расчете угла максимального ската достаточно легко учитывать угол наклона оси барабана к горизонту α. В данном случае значения координат Z Bj и Z Ak необходимо рассчитывать по следующим зависимостям: ( ) α ∆ − + ′ = tg L k N Z Z Ak Ak ; ( ) α ∆ − + ′ = tg L j N Z Z Bj Bj . (5.6) Результаты эксперимента показали, что при моделировании процесса движения сыпучего материала вдоль оси вращающейся трубы можно сделать допущение о прямой пропорциональности между количеством материала, поступающего на данный участок, и разницей угла ската для данного участка и предыдущего. Зависимости, представленные в работе [27], позволяют рассчитывать движение сыпучего материала вдоль оси вращающегося барабана. 5.2.3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА НЕПРЕРЫВНОГО ДОЗИРОВАНИЯ Поскольку при практическом использовании непрерывных дозаторов необходимо рассчитывать минимальный радиус барабана R, радиус загрузочного отверстия r, максимальный объем отдельной порции, а также время выхода на установившийся режим, было исследовано распределение одной порции во вращающейся трубе. Рассмотрим распределение отдельной порции V, которую загрузили во вращающуюся трубу. Несомненно, что в общем случае загрузка отдельной порции во вращающуюся трубу происходит в течение определенного времени ∆Т L , причем в барабане уже находится некоторое количество материала, однако, как будет показано ниже, эти особенности легко учесть если иметь решение предложенного варианта. Пусть внутренний радиус барабана равен R, а его длина – L. На рисунке 5.9 показано распределение первой порции в пустой горизонтальной вращающейся трубе. Для вычисления параметров распределения порции материала воспользуемся схемами, показанными на рис. 5.10. Объем первой порции во вращающейся трубе можно определить следующим образом: ∫∫ = D zdxdy V (5.7) |