 |
4.7 Определение оптимальных показателей работы смесителя в зависимости от конструктивно-технологических параметров
|
|
|
|
Для установления оптимальных технологических параметров и более пол- ного изучения рабочего процесса проведены исследования с использованием ме- тодики планирования многофакторного эксперимента [5, 82]. В качестве иссле- дуемых факторов по результатам однофакторных экспериментов выбраны сле- дующие: 𝑥 1 – время смешивания, мин; 𝑥 2 – направление вращения вала шнека смесителя; 𝑥 3 – количество материала в бункере смесителя в процентах от его возможной максимальной загрузки, %. В качестве критериев оптимизации выбра- ны показатели: 𝑦 1 – коэффициент однородности смеси n𝑛 , %; 𝑦 2 – удельные энер- гозатраты 𝑞, кВт·ч/т; 𝑦 3 – пропускная способность 𝑄, т/ч.
Исследуемые факторы и уровни их варьирования приведены в таблице 4. 4.
При испытаниях реализована матрица плана Бокса-Бенкина.
Таблица 4. 4 – Интервалы и уровни варьирования факторов
|
Параметры | Факторы | ||
| Время смешивания t, мин | Направление вращения вала шнека смесителя | Наполняемость бункера смесителя G, % | |
| 𝑥 1 | 𝑥 2 | 𝑥 3 | |
| Верхний уровень (+) | реверсивное | ||
| Основной уровень (0) | прямое | ||
| Нижний уровень (-) | обратное | ||
Проведение многофакторного эксперимента позволяет получить прибли- женные математические модели процесса, которые объединяют все учтенные факторы. Результаты экспериментальных исследований обработаны на компью- тере и получены следующие математические модели (незначимые факторы ис- ключены) [6]:
| 𝑦 1 = 90, 03 + 4, 12 ∙ 𝑥 1 − 1, 175 ∙ 𝑥 1 ∙ 𝑥 2 − 1, 62 ∙ 𝑥 1 ∙ 𝑥 3 − − 5, 06 ∙ 𝑥 2 − 2, 875 ∙ 𝑥 2; 2 3 | (4. 10) |
| 𝑦 2 = 3, 33 + 0, 52 ∙ 𝑥 1 − 0, 48 ∙ 𝑥 3 + 0, 03 ∙ 𝑥 2 + 0, 18 ∙ 𝑥 2; 1 3 | (4. 11) |
| 𝑦 3 = 2, 36 − 0, 63 ∙ 𝑥 1 + 0, 44 ∙ 𝑥 3 + 0, 13 ∙ 𝑥 2 − 0, 11 ∙ 𝑥 1 ∙ 𝑥 3. | (4. 12) |
|
|
|
Анализ полученных математических моделей (4. 10…4. 12), на основании значимости коэффициентов уравнений регрессии, позволяет сделать вывод о том, что направление вращения вала шнека смесителя (𝑥 2) незначительно влияет на рассматриваемые критерии оптимизации. На коэффициент однородности смеси n, удельные энергозатраты 𝑞 и пропускную способность 𝑄 наибольшее влияние ока- зывает время смешивания (𝑥 1).
Прямое направление вращения вала
|
1
Прямое направление вращения вала
1
|
|
0, 2 0, 2
|
-0, 6 -0, 6
-1
-1 -0, 6 -0, 2 0, 2
а
x1 1
-1
-1 -0, 6 -0, 2 0, 2
б
x1 1
Прямое направление вращения вала
1
x3
0, 2
-0, 2
-0, 6
-1
-1 -0, 6 -0, 2 0, 2 x1 1
в
Рисунок 4. 11 – Двухмерные сечения поверхности отклика, характеризую- щие влияние величины времени смешивания смеси (𝑥 1), направления вращения вала шнека смесителя (𝑥 2) и количества материала (𝑥 3) на: а) коэффициент одно- родности смеси n ( - 𝑦 1) и удельные энергозатраты 𝑞 ( - 𝑦 2); б) коэффи-
циент однородности смеси n ( - 𝑦 1) и пропускную способность
|
|
|
Q ( - 𝑦 3); в) удельные энергозатраты 𝑞 ( - 𝑦 2) и пропускную способ- ность 𝑄 ( - 𝑦 3)
Анализ математических моделей (4. 10…4. 12) и двумерных сечений поверх- ностей отклика (рис. 4. 11) позволяет сделать следующие выводы.
Из рисунка 4. 11, а видно, что при увеличении времени смешивания (𝑥 1) с 7 мин до 13 мин и снижении количества загружаемого материала (𝑥 3) с 65 % до 45 % при вращении вала шнека смесителя в прямом направлении (𝑥 2) происходит увеличение однородности смеси n с 84, 65 % до 92, 9 % и удельных энергозатрат 𝑞 с 2, 54 кВт·ч/т до 4, 55 кВт·ч/т. Максимальное значение коэффициента однородно- сти готового продукта n = 94, 4% достигается при времени смешивания
𝑥 1 =13 мин, при прямом направлении вращения вала шнека смесителя 𝑥 2= 0 и ко- личестве материала 𝑥 3 = 52, 2 %, при этом удельные энергозатраты составляют
𝑞 = 4, 04 кВт·ч/т.
Анализ рисунка 4. 11, б показывает, что при увеличении времени смешивания (𝑥 1) с 7 до 13 минут и количестве материала в камере смешивания (𝑥 3 = 1) 65 % при вращении вала шнека смесителя в прямом направлении (𝑥 2) происходит увеличе- ние однородности смеси n с 84, 65 % до 89, 66 % и снижение пропускной способ- ности 𝑄 с 3, 68 т/ч до 2, 19 т/ч. При максимальном значении коэффициента одно- родности готового продукта n = 94, 4 % величина пропускной способности со- ставляет 𝑄 = 1, 77 т/ч.
Анализ двумерных сечений поверхностей отклика (рис. 4. 11, в) показывает, что при увеличении времени смешивания (𝑥 1) с 7 до 13 минут и количества мате- риала (𝑥 3) с 45 % до 65 % при вращении вала шнека смесителя в прямом направ- лении (𝑥 2) происходит увеличение удельных энергозатрат 𝑞 с 3, 5 кВт·ч/т до 3, 59 кВт·ч/т и снижение пропускной способности 𝑄 с 2, 56 до 2, 19 т/ч.
Таким образом, по результатам экспериментальных исследований макси- мальное значение коэффициента однородности готового продукта n = 94, 4% дос- тигается при времени смешивания 𝑥 1 = 13 мин, при прямом направлении враще- ния вала шнека смесителя 𝑥 2 = 0 и количестве материала в камере смешивания
𝑥 3 = 52, 2 %, при этом удельные энергозатраты составляют 𝑞 = 4, 04 кВт·ч/т, а ве- личина пропускной способности равна 𝑄 = 1, 77 т/ч.
Выводы по главе.
|
|
|
В результате проведенных предварительных экспериментальных исследова- ний зависимости конструктивно-технологических параметров смесителя от массы загружаемого материала, времени смешивания и состава смеси можно сделать вы- вод о том, что максимальное значение коэффициента однородности готового про- дукта n = 86, 1 % достигается при количестве основы 620 кг, контрольного компо- нента в смеси 146 кг и времени смешивания 4 минуты, при этом пропускная спо- собность смесителя составляет 𝑄 =5, 75 т/ч, удельные энергозатраты 𝑞 =1, 55 кВт·ч/т. В ходе исследований выявлены недостатки, приводящие к неравномерно- сти распределения контрольного компонента в верхней части чашеобразного бун- кера и в области вала шнека смесителя, для устранения которых стенки камеры смешивания с обеих сторон закруглены на 60 градусов, и величина шага внутрен- него шнека уменьшена с 750 мм до 240 мм.
После конструктивных изменений проведены экспериментальные исследо- вания, результаты которых показали, что равномерность распределения кон- трольного компонента в смеси значительно увеличилась, уменьшилось макси- мальное отклонение содержания контрольного компонента в пробах от среднего значения с 19, 4 г до 3 г, что позволило достичь величины коэффициента однород- ности готового продукта n = 86, 7 %. Изменение шага винта внутреннего шнека позволило интенсифицировать процесс смешивания в области вала шнека смеси- теля, а закругление стенок чашеобразного бункера привело к более интенсивному перемещению материала и ликвидации застойных зон в верхней части камеры смешивания.
Исследование зависимости величины коэффициента однородности готового продукта от времени смешивания и направления вращения шнека показало, что при прямом направлении вращения достигается наибольшая величина коэффици- ента однородности готового продукта n = 86, 7 % за наименьшее время 10 минут (без учета времени загрузки), при этом пропускная способность смесителя со- ставляет 𝑄 = 2, 2 т/ч, а удельные энергозатраты равны 𝑞 = 3, 6 кВт·ч/т.
|
|
|
Анализ зависимости величины коэффициента однородности готового про- дукта от степени заполнения бункера смесителя, позволил сделать вывод о том, что величина коэффициента однородности готового продукта достигает наиболь- шего значения n = 90, 5 % при 11 минутах смешивания и загрузке бункера на 55 % от объема. При этом пропускная способность смесителя составляет 𝑄 = 2, 2 т/ч, а удельные энергозатраты равны 𝑞 = 3, 6 кВт·ч/т.
По результатам экспериментальных исследований при изменении загрузки смесителя от 55 % до 75 % и при времени смешивания 11 минут коэффициент од- нородности готового материала изменяется от 90, 5 % до 86, 1 %, величина мощно- сти, затрачиваемая на привод двигателя, увеличивается с 517 Вт до 1535 Вт, воз- растает пропускная способность смесителя с 2, 2 т/ч до 3, 0 т/ч и уменьшаются удельные энергозатраты с 3, 6 т/ч до 3, 03 т/ч.
Определение оптимальных показателей работы смесителя в зависимости от технологических параметров показало, что максимальное значение коэффициента однородности готового продукта n = 94, 4% достигается при времени смешивания компонентов 13 мин, при прямом направлении вращения вала шнека смесителя и количестве материала в камере смешивания 52, 2% от объема, при этом удельные энергозатраты составляют 𝑞 = 4, 04 кВт*ч/т, а величина пропускной способности равна 𝑄 = 1, 77 т/ч.
|
|
|
