1.  Процесс смешивания в барабанном смесителе.

 

Смешивание сапропеля с минеральными удобрениями в барабанном смесителе непрерывного действия является сложным, недостаточно изученным физическим процессом. Скорость и качество смешивания в смесительных агрегатах барабанного типа зависят от физико-механических свойств перемешиваемых компонентов, характеристики смесительного агрегата и его рабочих условий [1].

Следует отметить, что процессу смешивания всегда сопутствует процесс частичного расслоения получаемой смеси – сегрегация. Поэтому практически невозможно получить сапропеле-минеральную смесь, в которой расположение частиц компонентов было бы полностью упорядочным. В действительности получается статически произвольная смесь, отличающаяся от идеальной [1].

Движение компонентов смеси в барабанном смесителе определяется в основном силами трения и центробежными силами. Под действием этих сил возникает два основных потока: перемещение и перемешивание компонентов в плоскости вращения и вдоль оси барабана [2].

Принцип действия смесителя основан на том, что компоненты смеси, непрерывно подаваемые загрузочным транспортером в смесительную камеру, под действием сил трения и центробежных сил поднимаются по круговой траектории на определенную высоту, а затем, отрываясь от стенки барабана устремляются вниз, перераспределяясь и перемешиваясь при свободном падении, в силу различия физико-механических свойств компонентов и различной длины траектории отдельных слоев потока смеси [3].

Учитывая специфические свойства сапропеля и минеральных удобрений целесообразно для увеличения производительности процесса смешивания и предотвращения образования комков получаемой смеси устанавливать на внутренней поверхности барабана лопасти, позволяющие послойно разрушать общий поток сапропеле-минеральной смеси и способствующий более эффективному протеканию процесса смешивания.

А значит, существующие аналитические зависимости для гладкостенных барабанов [1] оказываются неприемлимыми. Поэтому возникает необходимость теоретического обоснования основных конструктивных и технологических параметров нового барабанного смесителя, а также его производительности.

2. Частота вращения барабана.

 

Для определения основных параметров смесителя с лопастями на внутренней стенке барабана рассмотрим схему действия сил на частицу, находящуюся на лопасти (рисунок 1). При этом примем в виде допущения, что поток внутри смешивающей камеры однороден по составу и подача его в барабанный смеситель при установившемся режиме работы равномерна.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 – Схема к определению скорости вращения барабана смесителя.

 

Анализ распределения сил, действующих на частицу смеси, находящуюся на пальце кормоотделительного рабочего органа, использовали в своих теоретических исследованиях авторы нескольких работ. Однако исследователи рассматривали перемещение частицы по пальцам кормоотделительного транспортера или битера в направление действия центробежной силы, то есть от центра вращения к периферии. В нашем же случае движение частиц смеси направлено внутрь смешивающей камеры.

Для обоснования оптимальной частоты вращения барабана рассмотрим систему сил, действующих на частицу смеси в точке отрыва ее от стенки барабана рисунок 1, и учтем зависимость между углами   и  :

 

       ,  ,                    (1)

 

где  x  расстояние от стенки барабана до исследуемой точки, м;

       R  внутренний радиус барабана, м.

 

Условие схода частицы смеси с лопасти барабана имеет вид:

 

mg cos( + )  m· ²·r_х·cos + f (mg sin( + )  m· ²·r_х·sin  2·m··V_r),          (2)

 

где m – масса частицы смеси, кг;

       g  ускорение свободного падения, м/с²;

       V_r – относительная линейная скорость движения частицы смеси по длине лопасти,  м/с;

        f – коэффициент трения;

        r_х – расстояние от оси барабана до частицы смеси, м;

         - угловая скорость барабана, с^-1.

Обеспечение схода частиц каждого слоя с лопасти при оптимальном значении угла отрыва, а также обеспечение лучшего перемешивания за счет увеличения времени до полного схода частиц достигается путем наклона лопасти на угол  относительно своего радиального направления.

Начало сбрасывания частиц смеси с лопасти происходит при равенстве правой и левой части уравнения, то есть получим полное неприведенное квадратное уравнение, решив которое относительно угловой скорости , можно определить оптимальное значение частоты вращения барабана:

       .(3)

 

Второй корень уравнения, содержащий знак «минус» перед радикалом, соответствует случаю схода частиц при тех же значениях углов _х и _х с внутренней стороны лопасти, считая по направлению вращения смесительной камеры.

Исходя из выражения (3) оптимальную частоту вращения барабана, для момента начала схода частиц смеси, расположенных на внешнем от стенки барабана краю лопасти, когда V_е = 0, можно определить по формуле:

 

                   .                        (4)

3.  Коэффициент заполнения смесителя.

 

Исходя из условий обеспечения качества смешивания с учетом физикохимических свойств смешиваемых материалов величина заполнения смесителя должна отвечать следующим условиям:

 обеспечивать наибольшее количество пересыпаний смешиваемых материалов при меньших значениях длины барабана и поступательной скорости движения массы в нем;

 обеспечить наибольшую длину траектории или дальность полета частиц смеси после отрыва их от стенки барабана и перехода с круговой траектории движения на параболическую;

 способствовать увеличению коэффициента заполнения межлопастного пространства в смесителях с лопастями на внутренней стенке барабана;

 обеспечить наибольшую производительность смесителя при наименьшем расходе энергии.

Проведенный анализ показывает, что зависимость величины  от большего количества параметров не позволяет получить исчерпывающего аналитического выражения для ее определения, поэтому ее находят экспериментально.

Из опыта эксплуатации трубных шаровых мельниц на цементных заводах и барабанных сушилок, применяемых в силикатной и химической промышленности, известно, что наибольшая производительность при наименьшем расходе энергии и высоком качестве смешивания достигается при  равном от 0,08 до 0,32.

 

4. Производительность смесителя.

 

Смеситель в технологической линии производства сапропелеминеральных удобрений находится на завершающем этапе, и его производительность задается производительностью всей линии (Q, Q₃), состоящей из дозаторовнакопителей отдельных компонентов смеси (Q₁,Q₂Q_n). Следовательно, смеситель должен обеспечивать пропуск через себя сапропелеминеральной массы, собранной со всей линии, улучшая ее качество за счет смешивания, поэтому необходимо соблюдать условие:

         Q = Q₃  или  Q  Q₁+ Q₂++ Q_n   или                                   (5)

 

Для определения производительности смесителя в общем случае необходимо определить коэффициент заполнения , пообобрать необходимый радиус барабана R и определить скорость поступательного движения массы V_n, которая определяется влиянием лопастей и других параметров.

Однако следует отметить, что на их величину накладываются условия обеспечения качества смешивания компонентов смеси с учетом ее физикомеханических свойств.

Исходя из  изложенного, рассмотрим смеситель, у которого лопасть расположена под углом на внутренней стенке барабана. Характерной особенностью процесса смешивания сапропеля с минеральными удобрениями является то, что для получения смеси высокого качества необходимо произвести большое количество пересыпаний, перемешиваний, а это возможно за счет увеличения времени пребывания или за счет уменьшения толщины слоя смешиваемой массы, захватываемого стенкой барабана и лопастью. Перемещение смешиваемого продукта в продольном направлении барабана в таких смесителях осуществляется за счет наклона его продольной оси в сторону выгрузки на угол .

Для определения производительности смесителя примем расчетную схему, рисунок 2.

Рисунок 2 – К определению параметров барабанного смесителя.

 

Составив необходимые уравнения и ре6шив их в конечном итоге получим производительность барабанного смесителя с лопастью расположенной на внутренней стенке барабана под углом:

 

             ,                    (6)

 

где  k₁  коэффициент, учитывающий изменение траектории полета индивидуальной частицы смеси во время полета в потоке после отрыва от стенки;

          k₂  коэффициент, учитывающий увеличение производительности смесителя в результате приращения перемещения смеси за один цикл в продольном направлении барабана за счет движения от точки отрыва не сразу вертикально вниз (рисунок 2), а по параболической траектории, т.е. за счет эффекта броска;

        k_v  коэффициент заполнения межлопастного пространства и изменения плотности смеси в этом пространстве. Величина коэффициента k_v зависит от количества лопастей в смесителе.

Произведение коэффициентов k₁; k₂ и k_v можно заменить одним k_Q  коэффициентом производительности, тогда выражение (6) примет вид:

 

                 .                         (7)

 

Библиографический список

1. Макаров Ю.И. Аппараты для смешивания сыпучих материалов. – М.: Машиностроение, 1973.- 216 с.
2. Селезнев А.Д. Исследование и обоснование основных параметров смесителей. – Минск, 1975. 13-15, 33-38 с.
3. Попков А.Н. Создание метода расчета барабанных смесителей сыпучих материалов непрерывного действия с винтовой рабочей поверхностью. Дис. к.т.н.  – Ярославль, 1990.