Теоретические основы и методология создания эффективных аппаратов с эластичными рабочими элементами для смешивания сыпучих материалов (13.04.2009)

Автор: Таршис Михаил Юльевич

3. На основе системно-структурного подхода к исследуемой системе разработаны математические модели процессов смешивания в устройствах гравитационно-пересыпного действия без дополнительных перемешивающих элементов как со стационарной, так и с изменяющейся при работе смесителя формой рабочей поверхности. Эти модели позволили в явном виде найти критерий однородности смеси как функцию безразмерного комплекса, содержащего параметры процесса, смеси и устройства.

4. Предложено математическое описание процессов смешивания сыпучих материалов в смесителе открытого типа с вращающейся цилиндрической поверхностью и - с дополнительными перемешивающими устройствами, основанное на применении транспортного уравнения, уравнения сохранения объема и условии связи, определяющем процесс перехода частиц в поток транспортирования.

5. Установлены основные механизмы роторно-струйного смешивания: порционного, связанного с воздействием эластичных рабочих элементов и – диффузионного смешивания частиц при их рассеянии в потоке.

6. Разработана стохастическая модель роторно-струйного смешивания, основанная на описании указанных механизмов с помощью суперпозиции простых кусочно-линейных распределений и нормального распределения.

7. Разработан бесконтактный метод оценки объёмной однородности смеси по распределению частиц в плоском сечении, перпендикулярном оси её однородности.

8. Предложен критерий оценки качества смеси, позволяющий сохранить информацию о ее структуре одновременно на микроскопических и на макроскопических масштабах (порядка размеров рабочего объема).

9. Выявлены эффекты: снижения качества смеси, получаемой в роторно- струйном смесителе в зонах, наиболее удаленных от оси его симметрии, связанный с усилением сегрегации частиц вне области их взаимодействия в потоке. Экспериментально установлен ряд эффектов влияния на качество смеси, получаемой в смесителе с волнообразным движением рабочей ленты: экстремальное влияние амплитуды волны, снижения качества смеси при увеличении в ней доли крупной фракции.

10. Разработан и теоретически обоснован новый способ «быстрого» смешивания сыпучих материалов в ленточном устройстве открытого типа.

Практическая ценность результатов работы:

Методология формирования принципиальной схемы смесительного аппарата, позволившая разработать новый класс смесителей.

Новые конструкции смесителей сыпучих материалов и способы приготовления смесей, защищенные авторскими свидетельствами СССР и патентами РФ.

Вероятностные модели процессов смешивания сыпучих материалов, являющиеся основой создания теоретически обоснованных методов расчета смесительного оборудования.

Бесконтактный метод исследования качества смесей, позволяющий существенно сократить время исследований, повысить точность оценок, а также

новый спектральный критерий оценки качества смеси.

Инженерные методы расчета смесителей, включающие элементы параметрической оптимизации.

Результаты экспериментальных исследований качества смесей.

Агрегаты, в состав которых включены разработанные в ходе исследований смесительные устройства с эластичными рабочими элементами, прошедшие апробацию в производстве.

Автор защищает

Методологию формирования принципиальной схемы смесительного устройства, основанную на системном подходе.

Новые конструкции смесителей с эластичными рабочими элементами.

Вероятностные математические модели процессов смешивания в устройствах гравитационно-пересыпного действия без дополнительных перемешивающих элементов со стационарной и с изменяющейся (при работе смесителя) формой рабочей поверхности.

Транспортную математическую модель процесса смешивания сыпучих материалов в смесителе открытого типа с вращающейся цилиндрической поверхностью и с дополнительными перемешивающими устройствами.

Суперпозиционную стохастическую модель роторно-струйного смешивания, основанную на описании процесса смешивания сыпучих материалов в роторно-струйных смесителях с помощью простых кусочно-линейных распределений и нормального распределения.

Бесконтактный метод оценки однородности смеси по распределению частиц в плоском сечении, перпендикулярном оси её однородности и новый критерий оценки качества смеси.

Инженерные методы расчета основных параметров ленточных смесителей и роторно-струйных аппаратов с эластичными распыливающими элементами.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных и Российских научных конференциях: 11 международной научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении», Пенза, декабрь 2007;

международной конференции конференции «Математические методы в химии и химической технологии». ММХ-9.Тверь.1995; 14-th International Congress of Chemical and Process Engineering, CHISA-2000, Praga, 2000; 5 международная научная конференция “Теоретические и экспериментальные основы создания новых высокоэффективных химико-технологических процессов и оборудования”.-Иваново. 2001; Междунар. научн. конф. “Теоретические основы создания оптимизации и управления энерго- и ресурсосберегающими процессами и оборудованием”, Иваново, 2007; ILASS – EUROPE’99, Toulouse 5 - 7 July 1999; шестой Всесоюзной конференции «Роль молодых конструкторов и исследователей химического машиностроения».- Зеленогорск, 1988; Всесоюзной конференции «Технология сыпучих

материалов», Ярославль, 1990; ХХ международной конференции «Математические методы в технике и технологиях».- Ярославль.- 2007.- С.122 -124. Основные положения диссертации доложены на выездном заседании Головного Совета «Машиностроение» (Ярославль, 17 октября 2001г.)

Публикации. Основные результаты исследований освещены в 61 научных трудах автора, в том числе в 13 изданиях по списку ВАК, 2 монографиях, 20 авторских свидетельствах и патентах, в материалах 13 международных, всесоюзных и всероссийских конференций, 4 депонированных рукописях.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов, списка использованных источников из 261 наименований и приложений, изложена на 270 страницах, содержит 102 рисунка и 8 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано краткое содержание работы, обоснована её актуальность, сформулирована цель, научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ известных подходов к моделированию процесса смешивания сыпучих материалов. Структурная схема математических моделей смешения представлена на рис.1

Рис. 1 Структурная схема моделей смешения сыпучих материалов

Отмечено, что наиболее перспективными с точки зрения построения адекватного математического описания процесса, а, следовательно, и создания надежных инженерных методов расчета оборудования, являются стохастические модели. Рассмотрены также основные механизмы процесса смешивания и критерии оценки однородности смеси. Известные критерии не учитывают вкладов, одновременно, конвективных и диффузионных механизмов. Проведен обзор и анализ и классификация (Рис.2) конструкций смесительных устройств с эластичными рабочими элементами (ЭРЭ) для смешивания сыпучих материалов и способов реализации данного процесса. Отмечается, также что

Рис.2 Классификация смесителей с ЭРЭ по: 1- назначению, 2- характеру доминирующего силового воздействия на смесь, 3 – состоянию перерабатываемого материала

возможности ЭРЭ в известных конструкциях реализуются не полностью.

Во второй главе разрабатывается методология создания принципиальных схем аппаратов для смешения сыпучих материалов, реализуются новые конструкции. На основе системного подхода разрабатывается новый класс смесительного оборудования, качественный рост эффективности которого определяется использованием в его структуре эластичных рабочих элементов (ЭРЭ). На рис.3 показана схема, в соответствии с которой осуществляется такой подход при разработке принципиальной схемы устройства, при его исследовании и проектировании.

Рис.3 Исследование и разработка принципиальной схемы смесительного устройства в рамках системного подхода

Первый этап состоит в выявлении потребности, которая определяет свойства разрабатываемого объекта, его техническую функцию. Решение задачи первого этапа позволяет установить структуру разрабатываемого аппарата в целом. Большинство известных смесителей имеют структуру, определяемую наличием устройства загрузки, рабочей камеры, вспомогательных перемешивающих устройств, привода и устройства выгрузки. Структура устройства определяется не только его материальными элементами, но также их взаимодействием и кинематикой.


загрузка...