Теоретические и эспериментальные исследования перемешивающей способности вибрационного аппарата

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования

«Казанский национальный исследовательский

технологический университет»

Н. З. Дубкова, В. В. Харьков, М. Г. Кузнецов

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ 

И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ 

ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРЕМЕШИВАЮЩЕЙ 

СПОСОБНОСТИ ВИБРАЦИОННОГО 

АППАРАТА

Монография

Казань

Издательство КНИТУ

2019

УДК 621–752
ББК 30.605

Д79

Печатается по решению редакционно-издательского совета 

Казанского национального исследовательского технологического университета

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. А. В. Дмитриев
д-р техн. наук, проф. Г. Р. Мингалеева

Д79

Дубкова Н. З.
Теоретические и экспериментальные исследования перемешивающей способности вибрационного аппарата : монография / Н. З. Дубкова, В. В. Харьков, М. Г. Кузнецов; Минобрнауки России, Казан. 
нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2019. – 88 с.

ISBN 978-5-7882-2711-5

Представлены результаты теоретических и экспериментальных иссле
дований закономерностей движения перерабатываемого сыпучего материала в 
вибрационном аппарате непрерывного действия, которые позволили определить оптимальные параметры вибрации из условий максимальной скорости 
циркуляции загрузки.

Предназначена для студентов факультета пищевой инженерии, изучаю
щих дисциплины «Оборудование пищевых производств» и «Рациональное использование отходов пищевых производств» в рамках бакалаврской подготовки по направлению 19.03.02 «Продукты питания из растительного сырья».

Подготовлена на кафедре оборудования пищевых производств.

ISBN 978-5-7882-2711-5
© Дубкова Н. З., Харьков В. В., 

Кузнецов М. Г., 2019

© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2019

УДК 621–752
ББК 30.605

СОДЕРЖАНИЕ

Введение...................................................................................................... 4
1. Физическая картина перемешивания в вибрационном аппарате....... 6
2. Взаимодействие загрузки с корпусом в вибрационном смесителе.. 20
3. Расчет условий отрыва слоя жидкости от вибрирующей
поверхности............................................................................................... 29
4. Экспериментальное исследование кинетики смешения в 
вибрационном аппарате ........................................................................... 33

4.1. Описание экспериментальной установки и методики 
исследования ......................................................................................... 33
4.2. Результаты экспериментальных и расчетных исследований..... 38

5. Оптимизация рабочих параметров вибросмесителя ......................... 47
6. Динамика вибрационных машин ........................................................ 51

6.1. Баланс мощности вибрационной машины................................... 51
6.2. Расчет мощности на валу ротора вибрационной машины ......... 57
6.3. Описание экспериментальных установок и методики 
исследования динамики вибрационных машин................................. 62

6.3.1. Методика эксперимента по определению коэффициента
внешнего и внутреннего трения пищевых порошков.................... 62
6.3.2. Экспериментальная установка с непрерывной записью
крутящего момента при виброперемешивании.............................. 63

6.4. Результаты экспериментальных исследований динамики
вибрационных машин........................................................................... 64

6.4.1. Влияние динамических характеристик вибросмесителя на 
потребляемую мощность.................................................................. 64
6.4.2. Влияние параметров вибрации на величину мощности, 
затрачиваемой при виброперемешивании материалов
различной влажности........................................................................ 65
6.4.3. Влияние режима вибрации на величину мощности,
передаваемой загрузке ...................................................................... 71
6.4.4. Влияние жесткости упругих опор вибросмесителя на 
мощность, потребляемую им при перемешивании........................ 73
6.4.5. Влияние остаточного давления в вибросмесителе на 
величину затрачиваемой мощности ................................................ 76

Заключение................................................................................................ 79
Список литературы................................................................................... 81

ВВЕДЕНИЕ

Процесс смешения заключается в распределении двух и более 

компонентов в объеме композиции. Идеальным было бы равномерное 
(упорядоченное по частицам) распределение компонентов, однако
в промышленных условиях его реализовать практически невозможно. 
Очень важно качество готовой смеси в пищевой промышленности. 
От степени смешения компонентов зависят вкусовые, товарные, экологические свойства изделий, их потребительские качества и реализуемость. Ускоренные темпы роста качества пищевых продуктов зависят 
от степени обеспеченности прогрессивным и высокоэффективным смесительным оборудованием.

Перемешивающая способность смесителей – качество смеси, до
стигаемое в данном смесителе за определенное время – зависит от энергоемкости воздействия перемешивающего органа на компоненты.
Например, в инерционных смесителях энергонапряженность пропорциональна ускорению силы тяжести, в аппаратах с мешалкой – ускорению 
и скорости движения мешалки, соответствующей мощности, передаваемой мешалкой перемешиваемому объему. Для различных типов мешалок эти ускорения колеблются в пределах (1–5)g. С этой точки зрения 
перспективность использования вибрации в процессах перемешивания 
неоспорима (ускорения воздействия достигают 11g). Это преимущество 
было доказано исследованиями закономерностей массопереноса и качества получаемых сухих и жидких смесей порошкообразных материалов в широком диапазоне физико-механических свойств.

Исследования виброперемешивания выявили ряд преимуществ 

перед мешалками различного рода, инерционными и шнековыми смесителями, а именно:

− значительная простота конструкции;
− высокий коэффициент заполнения (0,6–0,9);
− высокая энергонапряженность в зоне перемешивания (до 11g);
− значительное сокращение времени перемешивания;
− лучшая гомогенность получаемых смесей;
− безопасность в связи с отсутствием в зоне перемешивания ра
бочих органов;

− возможность проведения сопутствующих процессов (смеше
ние-измельчение-сушка, смешение-гранулирование и т. д.).

Для перемешивания сыпучих продуктов применяют в основном 

два способа – гравитационный и принудительный (механический). Первый осуществляется под действием сил тяжести в барабанных, лотковых и бункерных смесителях, второй – в шнековых и лопастных. Долголетняя производственная практика показала, что при статических 
способах перемешивания не достигается однородность, не обеспечивается повышение активности компонентов, происходит изменение гранулометрического состава смеси. Удовлетворительное качество перемешивания наблюдается лишь при малых степенях заполнения камеры, 
что ведет к увеличению габаритов и массы смесителя, и достаточно
только для сыпучих, малосвязных материалов.

Вибрационное воздействие на перемешиваемые материалы и ра
бочие органы смесителя значительно увеличивает производительность 
процесса, снижает энергоемкость и улучшает качество смеси. При этом 
вибрация в одних случаях может лишь интенсифицировать основной 
процесс (например, вибрирование шнека в шнековом смесителе), в других – вызывать специфические вибрационные эффекты, которые используются для перемешивания (например, циркуляционное движение
смеси внутри цилиндрического или торообразного сосуда). Вибрационные импульсы вызывают хаотические столкновения частиц материала, 
разделение их по форме, плотности и размерам, разрушение сложившихся конгломератов, уменьшение трения между частицами. Перемешивание происходит практически в любом процессе, где используется 
вибрация, однако качественное перемешивание получается только 
в специальных устройствах с целенаправленной вибрацией. 

1. ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА ПЕРЕМЕШИВАНИЯ

В ВИБРАЦИОННОМ АППАРАТЕ

Исследования перемешивания в сосудах, подвергаемых верти
кальной вибрации, показали, что интенсивный процесс начинается 
только тогда, когда ускорение дна сосуда превышает земное ускорение. 
Степень интенсивности зависит от параметров вибрации, размера 
и плотности частиц, воздухопроницаемости слоя, высоты слоя, влажности коэффициента трения, размеров и формы рабочей камеры. Создать 
интенсивное перемешивание тонкодисперсных порошков с размером 
частиц менее 10 мкм практически не удается при всех реально достижимых параметрах вибрации. Это объясняется агрегатированием частиц и сильным проявлением насосного эффекта, препятствующего отрыву частиц от дна сосуда. Для большинства сыпучих материалов с частицами размером 50–1500 мкм существует определенное сочетание частоты и амплитуды, при которых начинается интенсивное перемешивание. Например, для кварцевого песка с частицами размером 100 мкм 
при высоте слоя 70 мм процесс перемешивания на частоте 50 Гц начинает интенсивно протекать, когда амплитуда достигает 1 мм. Процесс 
перемешивания обусловливается главным образом пульсирующим движением газа внутри вибрирующего слоя, которое возникает в результате образования под ним вакуума и фильтрования газа через слой материала. Возникающие при этом потоки и пузыри газа увлекают частицы сыпучего материала и создают интенсивное перемещение слоев. 
В аппаратах небольших размеров материал у стенок, где вследствие 
трения частицы движутся медленнее, перемещается вниз, а в центре –
вверх. В сосудах больших размеров возникает много центров циркуляции, материал у стенок также движется вниз вместе с засасыванием под 
слой газом. 

Интенсивность перемешивания при вертикальных колебаниях 

резко падает в вакууме, так как не возникает насосного эффекта. Для перемешивания в вакууме используют установки, в которых процесс происходит в результате вибротранспортирования (например, по лотку со 
ступеньками). Вакуум способствует хорошему перемещению и перемешиванию многих тонкодисперсных порошков при значительно меньших ускорениях, чем при атмосферном давлении. Этот способ находит 
применение для сушки красителей, солей и других материалов. 

В жидкой среде сыпучий материал перемешивается значительно 

хуже, чем в воздухе. На движение частиц в жидкости существенно влияют их размеры, вязкость жидкости и концентрация в ней твердой фазы, 
при этом интенсивное движение наблюдается в верхней части при относительно спокойной нижней. Частота колебаний частиц в 2,0–2,5 раза
меньше, чем частота колебаний дна аппарата. Активным переносчиком 
частиц становятся возникающие при вибрации потоки жидкости. Так, 
в условиях стесненного движения крупнодисперсных частиц при циркуляции воды вокруг частиц создается хорошо перемешиваемый слой. 

Интенсивность перемешивания сыпучих материалов увеличива
ется при дополнительной продувке слоя газом, однако равномерное перемешивание можно получить только при оптимальном сочетании вибрационного воздействия и скорости газового потока. Например, с увеличением скорости газа выше оптимальной перемешивание порошков 
полимеров ухудшается и происходят фонтанирующие выбросы и унос 
материала. Изменением расхода воздуха, подаваемого под слой, можно 
в широких пределах регулировать структуру слоя в зависимости от особенностей технологического процесса. Так, при нанесении полимерных 
покрытий в зависимости от требований к прочностным, деформационным и другим свойствам пленки, а также размера и формы деталей, путем регулирования скорости газового потока создают слой большой
пористости. 

Перемешивание в условиях вертикальной вибрации протекает не
достаточно интенсивно и не находит промышленного применения. 
В промышленных смесителях рабочий орган подвергается круговым 
в вертикальной плоскости или пространственным (объемным) колебаниям, а смесительную камеру выполняют цилиндрической, корытообразной или тороидальной. В этом случае при вибрации камеры возникает транспортирующий эффект, который, накладываясь на вибрационный, создает лучшие условия для перемешивания. 

Схема процесса движения компонентов смеси в цилиндрической 

камере при сообщении ей круговых колебаний в вертикальной плоскости показана на рис. 1.1. Компоненты смеси, вовлеченные в процесс 
вибрационного транспортирования по плоскости с переменным углом 
наклона к горизонту, совершают устойчивое циркуляционное движение 
вокруг оси, расположенной в центре тяжести слоя сыпучего материала, 
находящегося в камере. Угловая скорость циркуляции смеси значительно меньше угловой скорости вращения дебаланса. Направление 
циркуляции в тонком слое, непосредственно примыкающем к корпусу 

вибровозбудителя, совпадает с направлением дебаланса. Такая неравномерность распределения скоростей циркуляции по слоям обеспечивает хороший эффект перемешивания. Интенсивность циркуляции 
смеси зависит от параметров вибрации, свойств сыпучего материала, 
размеров и формы камеры, степени ее заполнения, расположения вибровозбудителя и других конструктивных особенностей.

Рис. 1.1. Вибрационная сушилка-мельница:

1 – корпус; 2, 3 – крышки загрузочного и выгрузочного люков;

4 – вибратор; 5 – упругие опоры; 6 – мелющие тела;

7 – обрабатываемый материал; 8 – теплообменная рубашка;

9 – серповидные зазоры; ТА – тепловой агент

Зависимость скорости циркуляционного движения от грануло
метрического состава компонентов смеси выглядит следующим образом. При уменьшении размера частиц скорость циркуляции при постоянных параметрах вибрации и массе загрузки увеличивается, однако 
после достижения частицами размера менее 10 мкм резко падает, что 
хорошо согласуется с принципами вибротранспортирования. Перемешивание смеси в таких аппаратах обусловливается конвективными 
(циркуляционными) и диффузионными процессами. Первые возникают 
вследствие общего движения всей массы загрузки (макропроцессы), 
вторые обеспечиваются в результате относительного движения частиц 
среды, что влияет на изменение сил трения и сцепления между частицами (микропроцессы). 

ТА

Оба вида движения имеют важное значение для перемешивания: 

отсутствие циркуляции загрузки, равно как снижение относительных 
колебаний частиц при вибрации, значительно замедляют процесс перемешивания. Однако основное, превалирующее значение имеют всетаки относительное движение частиц смеси и микротурбулентность 
слоев, являющиеся необходимой предпосылкой быстрого протекания 
процесса перемешивания и одной из основных особенностей, отличающих вибрационный способ от остальных способов перемешивания. Отсутствие специальных устройств в корпусе смесителя предопределяет 
следующий механизм перемешивания частиц разных слоев. Взаимопроникновение происходит тогда, когда между частицами одного компонента появляется свободное пространство, достаточное для проникновения в него частиц другого компонента, причем этот процесс зависит от скорости появления таких свободных пространств и их величины.

Для эффективного перемешивания необходимо обеспечить мак
симальную скорость циркуляции смеси в макрообъеме и достаточное 
для протекания процессов диффузии относительное движение составляющих смеси, зависящее от порозности вибрирующего слоя. Порозность в основном определяется ускорением вибрирующего слоя. При 
небольших значениях ускорения ослабляются лишь силы трения между 
частицами, но частицы не отрываются одна от другой. При этом происходит самоукладка частиц и уменьшение порозности. При некотором 
значении ускорения порозность начинает увеличиваться и в рабочем 
диапазоне режимов зависит от ускорения. При больших значениях 
ускорения (выше критического) увеличение порозности замедляется, 
что объясняется большими аэродинамическими силами, воздействующими на частицы. Работа в этих режимах энергетически нецелесообразна. Кроме того, существуют определенные технологические параметры, определяемые долговечностью и надежностью конструкции. 
Обычно ускорение рабочей лежит в интервале 5–50 g. Рабочее значение 
порозности зависит от эквивалентного диаметра частиц, сочетания амплитуды и частоты вибрации, характера поведения смеси в камере.

Интенсивность перемешивания зависит от степени заполнения 

рабочей камеры смесителя, которая обычно равна 0,75–0,85, и влияет 
на величину свободной поверхности смеси, где происходят процессы 
макроперемешивания (аналогичные водопадному эффекту в барабанных смесителях). При небольшом заполнении камеры возможна сепарация компонентов, а при значительном ухудшаются условия протекания макропроцессов.