Исследование процессов дозирования в агрегатах непрерывного действия с целью интенсификации смесеприготовления тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.18.04, кандидат технических наук Поздняков, Дмитрий Леонидович

• Поздняков, Дмитрий Леонидович
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Поздняков, Дмитрий Леонидович

Введение и постановка задач исследования.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ДОЗИРОВАНИЯ В СМЕСЕПРИГОТО

ВИТЕЛЬНЫХ АГРЕГАТАХ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ.

1.1. Проблемы математического моделирования процессов дозирования и непрерывного смесеприготовления.

1.1.1. Основы представлений о способах оценки качества смесей.

1.1.2. Методы математического описания динамики процессов непрерывного смесеприготовления.

1.2. Влияние пульсаций питающих потоков на процесс непрерывного смесеобразования.

1.3. Дозирующее оборудование, сравнительные характеристики, анализ возможности повышения эффективности.

1.4. Выводы по первой главе.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПРОЦЕССОВ ДОЗИРОВАНИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СМЕСЕПРИГОТОВИТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА И ЕГО ФРАГМЕНТОВ

2.1. Характеристика общей структурно-функциональной схемы смесеприготовительного комплекса, ее описание, исследование и анализ.

2.1.1. Топологический способ анализа смесительной системы на основе сигнальных графов.

2.1.2. Разработка и формирование расчетной блочной структурной схемы агрегата.

2.1.3. Описание дозирующих воздействий в смесительном агрегате и их параметризация.

2.2. Формирование моделей дозирующих потоков.

2.2.1. Модели дозирующих устройств по формируемым ими материалопотокам в дозаторах непрерывного действия

2.2.1.1. Описание дозирующего сигнала спирального дозатора.

2.2.1.2. Дозирующий сигнал шнекового дозатора.

2.2.2. Разработка модели сигнала мгновенной производительности порционных дозаторов.

2.3. Описание блока дозирующих устройств в терминах пространства состояний смесительного агрегата.

2.3.1. Спиральный дозатор.

2.3.2. Шнековый дозатор.

2.3.2.3. Порционный дозатор.

2.4. Выводы по второй главе.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО СТЕНДА

И МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ

3.1. Описание исследовательского стенда.

3.2. Дозировочное оборудование.

3.2.1. Шнековый дозатор.

3.2.2. Спиральный дозатор.

3.2.3. Порционный дозатор.

3.3. Центробежный смеситель непрерывного действия.

3.4. Физико-механические свойства сыпучих материалов, использованных в исследованиях.

3.5. Частотно-индуктивный преобразователь концентрации ключевого компонента в смеси сыпучих материалов.

3.6. Алгоритм определения концентрации индикатора в составе смеси.

3.7. Аппаратно-программный комплекс для регистрации и обработки информации.

3.8. Выводы по третьей главе.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ МОДЕЛИ СМЕСИТЕЛЬНОГО АГРЕГАТА И МАШИННЫЙ АНАЛИЗ СМЕСЕ-ПРИГОТОВИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ.

4.1. Исследование работы дозирующих устройств.

4.2. Расчет агрегата в технологическом пространстве состояний при непрерывном дозировании.

4.3. Оценка сглаживания входных потоков при изменении интенсивности рецикла.

4.4. Нерегулярности процесса перемешивания.

4.5. Исследование возможностей асинфазно-синхронного режима дозирования.

4.6. Сглаживающие свойства центробежных смесителей.

4.7. Оценка степени интенсификации смесеприготовления.

4.8. Выводы по четвертой главе.

ГЛАВА 5. ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ.

5.1. Центробежный смеситель для сыпучих материалов с направленной организацией материалопотоков.

5.2. Аппаратурное оформление процесса смешивания при витаминизации пищевых продуктов.

5.3. Разработка аппаратурного оформления процесса смешивания в производстве сухого мороженого.

5.4. Подготовка пряно-солевых смесей при приготовлении рыбных пресервов.

5.5. Выводы по пятой главе.

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование процессов дозирования в агрегатах непрерывного действия с целью интенсификации смесеприготовления»

Процессы дозирования мелкозернистых и дисперсных материалов и получения многокомпонентных смесевых композиций (витаминизированных смесей на основе сухого молока, посольных и пряно-солевых сухих составов в мясной и рыбной промышленности) на их основе занимают важное место в пищевой, химической и других отраслях народного хозяйства.

Анализ известных результатов теоретических и экспериментальных исследований по данному вопросу показывает значительное преимущество смесеприго-товительного оборудования непрерывного действия над периодическими аналогами (повышение производительности агрегата при одновременном снижении удельного энергопотребления, металлоемкости и себестоимости готового продукта, широкие возможности по автоматизации процесса, улучшение технических и санитарных условий труда.

Однако непрерывно действующие смесительные агрегаты не получают широкого применения в промышленности главным образом из-за сложности дозирования в них компонентов в заданных соотношениях, в то время как их оснащение автоматическими весовыми дозирующими устройствами часто бывает экономически неоправданным.

Одной из основных трудностей при приготовлении многокомпонентной смеси является определение комплекса параметров функционирования блока дозирующих устройств (ДУ) и поддержание его на заданном уровне, т.е. установление и стабилизация схемы формирования доз компонентов, выдаваемых отдельными дозаторами блока, для создания входных - по отношению к смесительному устройству - материалопотоков, обладающих минимальными флуктуациями.

В настоящее время отсутствует системный подход к изучению процессов дозирования сыпучих материалов, который бы рассматривал их влияние на интенсивность смесеприготовления с позиций кибернетических представлений о динамических системах.

Таким образом, решение вопросов разработки и совершенствования технологических способов исследования смесеприготовительных процессов в непре-рывнодействующих агрегатах для переработки порошкообразных материалов на базе теоретических и экспериментальных исследований, создания теории и методик их расчета, реализуемых на компьютерной основе, является актуальной задачей, представляющей научный и практический интерес.

Настоящая работа выполнена в соответствии с целевой региональной научно-технической программой "Кузбасс" и планом основных научных направлений ПНИЛ Кемеровского технологического института пищевой промышленности (Кем-ТИПП).

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Целью настоящей работы является разработка и совершенствование технологических способов дозирования порошкообразных композиций на базе смесепри-готовительных агрегатов (СМПА) на основе соответствующих теоретических и экспериментальных исследований и оценки совместного влияния материальных потоков дозирующих устройств и характеристик смесителей непрерывного действия на качество потока готовой смеси.

Сформулированы следующие задачи:

- исследование процессов дозирования в устройствах непрерывного и дискретного типов (спиральных, шнековых, порционных);

- формирование - с использованием кибернетического подхода - комплексной математической модели блока ДУ, учитывающей совокупность режимных параметров дозирующих сигналов при их варьировании; разработка методов исследования модели, позволяющих рационально согласовать комплекс параметров дозирующих устройств и центробежных смесителей непрерывного действия с целью интенсификации процесса смесеприготовления;

- проведение анализа результатов физического и цифрового моделирования фрагментов системы смесеприготовления;

- совершенствование технологических режимов дозирования с точки зрения минимизации пульсаций дозирующих материалопотоков и их увязка с качеством получаемых в смесителе композиций.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ.

Разработана комплексная математическая модель блока ДУ, учитывающая совокупность режимных параметров выходных сигналов, которая позволяет варьировать условия дозирования в интерактивном режиме, используя при этом структурно-топологический подход, и моделирование в технологическом пространстве состояний; изучено влияние параметров процессов дискретного дозирования на характер выходных потоков смесителей; разработаны способы интенсификации процесса получения смесей заданного качества путем организации рациональных режимов дозирования и использования согласно-параллельных каналов и каналов рециркуляции с целью интенсификации процесса смесеприготовления; произведена оценка параметров асинфазно-синхронного режима дозирования с целью обеспечения предварительного демпфирования флуктуаций питающих потоков; показана эффективность импульсного режима рециркуляции по сравнению со статическим рециклом, выявлены количественные закономерности сглаживания дискретных дозирующих воздействий центробежными смесителями непрерывного действия, работающими в различных режимах загрузки.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ.

Предложены конструктивные изменения в центробежном смесителе непрерывного действия с внутренними опережающим и рециркулирующим каналами; на данное решение подана авторская заявка на выдачу патента РФ.

С участием автора разработано аппаратурное оформление технологического процесса мультиингредиентного дозирования в производстве витаминизированных порошкообразных продуктов на основе молочных смесей. Данная технологическая схема успешно опробована на АО Кемеровский молочный комбинат. Технология дозирования и способы интенсификации смесеприготовления испытаны при выработке посольных и пряно-солевых композиций для приготовления рыбных пресервов и посолочных смесей в условиях АО "Кемеровский мясокомбинат".

Материалы диссертационной работы внедрены в научно-учебные комплексы кафедр процессов и аппаратов пищевых производств и автоматизации производственных процессов и автоматизированных систем управления КемТИПП и используются в лекционных курсах и дипломном проектировании.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСИТСЯ :

Комплексная математическая модель технологического процесса дозирования в СМПА непрерывного действия; результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса дозирования в устройствах непрерывного и дискретного действия; результаты исследования сглаживающей способности центробежным смесителем воздействий от непрерывных и дискретных дозаторов объемного типа; структурно-топологические схемы материалопотоков в блоке дозирующих устройств и собственно в смесительном аппарате; усовершенствованная схема порционного дозирования (асинфазно-синхронного типа).

Заключение диссертации по теме «Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств», Поздняков, Дмитрий Леонидович

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана комплексная структурно-топологическая математическая модель непрерывно действующего смесеприготовительного агрегата, которая позволяет на основе ее анализа реализовать оптимальные согласованные параметры настройки дозаторов и смесителя для получения смесей заданного качества.

2. Получена математическая модель блока ДУ (спирального, шнекового и порционного), учитывающая динамику формирования доз (частоту, длительность выдачи, скважность дозирования и др. параметры), позволяющая повысить точность оценки входных потоков и установить зависимость характера выходного потока готовой смеси от рабочих режимов дозатор-ного блока.

3. Сформирована модель блока дозирующих устройств в терминах технологического пространства состояний, в соответствии с которой разработаны технологические способы получения смесей заданного качества путем организации каналов направленного действия с целью интенсификации процесса смешивания.

4. Выявлены качественные и количественные закономерности сглаживания дискретно-релаксационных входных воздействий смесителями непрерывного действия, обладающими разными инерционными свойствами и работающими в различных режимах загрузки, от комбинированного вектора параметров ДУ и смесителя.

5. Разработан способ асинфазно-синхронного дозирования гомогенного типа, обеспечивающий предварительное демпфирование флуктуаций питающих потоков, что способствует повышению эффекта сглаживания пульсаций смесительной аппаратурой. При этом рациональным диапазоном значений скважности формирования доз порционным дозатором является диапазон 1,48 < М < 2,5 при скважности дополняющего дозатора 3,08 > Д2> 1,67.

6. В качестве средства, интенсифицирующего процесс смесеприготовления, предложен режим смешения с наличием импульсной рециркуляции, дающий возможность эффективного снижения энергетических затрат по сравнению со статическим рециклом, а также позволяющий рационально управлять качеством смеси во времени за счет перераспределения материальных потоков внутри смесителя, посредством воздействия на них импульсными потоками рециркуляционного канала. 7. Получены сухие многокомпонентные молочные смеси, посольные и пряно-солевые смеси для рыбных пресервов и посолочные композиции для приготовления мясных продуктов удовлетворительного и хорошего качества при использовании разработанных способов дозирования.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Поздняков, Дмитрий Леонидович, 1999 год

1. Александровский A.A. Исследование процесса смешения и разработка аппаратуры для приготовления композиций, содержащих твердую фазу: Автореф. дисс. . д-ра техн. наук. - Казань, 1976. -48с.

2. Александровский A.A., Ахмадиев Ф.Г. Современное состояние и проблемы математического моделирования процесса смешивания сыпучих материалов. В кн.: Технология сыпучих материалов - Химтехника 86: Тез. докл. Всесо-юзн. конф. Белгород, 1986. 4.2, С.З.

3. Амербаев В.М. Операционное исчисление и обобщенные ряды Лягерра. -Алма-Ата: Наука, 1974. -264с.

4. Андреев Ю.Н. Управление конечномерными линейными объектами. М.: Наука, 1976.-424с.

5. A.c. Л44518 (СССР). Центробежный смеситель непрерывного действия / Баг-ринцев И.И., Кошковский С.С., Ревенно С.А. Опубл. в Б.И., 1979, № 4.

6. A.c. 655419 (СССР). Вибрационный смеситель / Иванец В.Н., Плотников В.А. -Опубл. в Б.И., 1979, № 13.

7. A.c. 1061030 (СССР). Устройство для измерения концентрации различных веществ / Иванец В.Н. и др. Опубл. в Б.И., 1983, № 46.

8. A.c. 1115790 (СССР). Вибрационный смеситель / Иванец В.Н., Курочкин A.C., Коршиков Ю.А. Опубл. в Б.И., 1984, № 36.

9. A.c. 1278239 (СССР). Центробежный смеситель / Курочкин A.C., Иванец В.Н. и др. Опубл. в Б.И., 1986, № 47.

10. A.c. 1345413 (СССР). Смеситель сыпучих материалов / Курочкин A.C., Иванец1. B.Н. и др.-1987, ДСП.

11. A.c. 1389156 (СССР). Смеситель-диспергатор / Иванец В.Н., Курочкин A.C., Батурина С.И. и др. СССР-4107811/31-33; заявлено 11.07.85. ДСП.

12. Ахмадиев Ф.Г. Исследование процесса смешения композиций, содержащих твердую фазу, в ротационном смесителе: Автореф. дисс. . канд. техн. наук. -Казань, 1975.-24 с.

13. Ахмадиев Ф.Г., Александровский A.A. Моделирование и реализация способов приготовления смесей //Ж. Всес. хим. о-ва Д.И. Менделеева, 1988. Т.ЗЗ. № 41. C.448.

14. Ахмадиев Ф.Г., Александровский A.A. Современное состояние и проблемыматематического моделирования процессов смешения сыпучих материалов. -в сб.: Интенсификация процессов механической переработки сыпучих материалов. -Иваново, 1987. С.3-6.

15. Ахназарова С.П., Кафаров В.В. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии. М.: Высшая школа, 1978.

16. Балакирев B.C., Дудников Е.Г., Цирлин A.M. Экспериментальное определение динамических характеристик промышленных объектов управления. М.: Энергия, 1967.

17. Батурина С.И., Иванец В.Н. и др. Аппаратное оформление процесса получения комбинированных продуктов питания. // Разработка комбинированных продуктов питания. Тез. докл. четвертой Всесоюзн. конф. Кемерово, 1991. КемТИПП. - С. 25-27.

18. Батурина С.И. Разработка центробежного смесителя-диспергатора для переработки порошкообразных материалов: Автореф. дисс. . канд. техн. наук. -М., 1990.-16 с.

19. Варсонофьев В.Ж., Кольман-Иванов Э.Э. Вибрационная техника в химической промышленности. М.: Химия, 1985. - 240 с.

20. Вендат Дж., Пирсол А. Применение корреляционного спектрального анализа. -М.: Мир, 1983, -312 с.

21. Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. -480с.

22. Видинеев Ю.Д. Дозаторы непрерывного действия. М.: Энергия, 1981. - 273 с.

23. Видинеев Ю.Д. Современные методы оценки качества непрерывного дозирования //Ж. Всес. хим. о-ва им. Д.И. Менделеева. 1988. № 4. С. 397-404.

24. Вибрация в технике. Справочник. Т.4. Вибрационные процессы и машины / под ред. Лавендела Э.Э. М.: Машиностроение, 1981. -510 с.

25. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1977. -872с.

26. Гарбузова С.Ю. Разработка непрерывнодействующего смесительного агрегата для переработки сыпучих материалов. Дисс. . канд. техн. наук. - Кемерово, 1996. - с.

27. Генералов М.Б. Движение сыпучего материала в шнековом питателе бункера / Теор. основы хим. технол. 1988. Т.22. № 1. С.78-83.

28. Генералов М.Б. Истечение сыпучих материалов из аппаратов / Теор. основы хим. технол. 1985. Т. 19. № 1. С.53.

29. Горбатова К.К. Биохимия молока и молочных продуктов. М.: Колос, 1997. -288 с.

30. Грон Д. Методы идентификации систем. М.: Мир, 1979. - 302с.

31. Дейч А.М. Методы идентификации динамических объектов. М.: Энергия, 1979.-204 с.

32. Диткин В.А., Прудников А.П. Операционное исчисление. М.: Высшая школа, 1966.-406 с.

33. Зайцев А.И., Бытев О.Д., Сидоров В.Н. Теория и практика переработки сыпучих материалов // Ж. Всес. хим. о-ва им. Д.И. Менделеева. 1988. Т.33. № 4. С.390.

34. Иванец В.Н. Новые конструкции смесителей для многокомпонентных композиций//Химическое и нефтяное машиностроение. 1992. №1.

35. Иванец В.Н. Смесители порошкообразных материалов для витаминизации пищевых и кормовых продуктов. Обзор II Изв. вузов. Пищевая технология. 1988. № 1. С.89-97.

36. Иванец В.Н., Гарбузова С.Ю. Исследование СНД центробежного типа с рециклом для переработки сухих молочных продуктов. В сб.: Перспективные технологии производства пищевых продуктов. - Кемерово, 1996.

37. Иванец В.Н., Еремин А.Т., Менх В.Г. Разработка агрегата для приготовления многокомпонентных смесей порошкообразных материалов // Технология сыпучих материалов. Тез. докл. Всесоюзн. конф. Ярославль, 1989. Т.1. С. 73-74.

38. Иванец В.Н., Менх В.Г. Разработка новых конструкций устройств для транспортирования сыпучих материалов // Химическое и нефтяное машиностроение, 1992. №1.

39. Иванец В.Н., Федосенков Б.А. Выбор режима работы смесительного агрегата при непрерывном дозировании. В кн.: Процессы в зернистых средах. Межвуз. сб. научн. тр. - Иваново, 1989. - С.51-56.

40. Иванец В.Н., Федосенков Б.А. Методы интерактивного машинного моделирования смесительных систем. В сб.: Технология сыпучих материалов - Химтехника 86: Тез. докл. Всесоюзн. конф. Белгород, 1986. 4.2. С. 15-17.

41. Иванец В.Н., Федооенков Б.А. Методы моделирования процессов смешивания дисперсных материалов при непрерывной и дискретной загрузке смесительного агрегата II Известия вузов. Пищевая технология, 1988. № 5. С.68-72.

42. Иванец Г.Е. Разработка вибрационных смесителей с прямыми и обратными контурами рециклов смешиваемых потоков сыпучих материалов: Автореф. дисс. . канд. техн. наук. М., 1990, 16 с.

43. Иванец Г.Е., Коршиков Ю.А. и др. Прогнозирование качества смеси в вибрационном смесителе с рециклом // Интенсификация процессов механической переработки сыпучих материалов. Иваново, ИХТИ, 1987. С. 6-10.

44. Иванец Г.Е., Шушпанников А.Б., Коршиков Ю.А. Математическое моделирование непрерывнодействующего смесительного агрегата // Технология сыпучих материалов. Тез. докл. Всесоюзн. конф. Ярославль, 1989. Т.2. С. 33-34.

45. Иващенко H.H. Автоматическое регулирование. Теория и элементы систем. М.: Машиностроение, 1978. 736с.

46. Карпин Е.Б. и др. Автоматизация технологических процессов пищевых производств. -М.: Пищевая промышленность, 1977. -431 с.

47. Карпин Е.Б. Средства автоматизации для измерения и дозирования массы. -М.: Машиностроение, 1971.

48. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1971 -784с.60