Описание экспериментальной установки. Схема экспериментальной установки и ее фотография представлены на рисунках 1 и 2
Схема экспериментальной установки и ее фотография представлены на рисунках 1 и 2.
Перемешивание осуществляется в деже (3), закрепленной в поворотном узле (2). Таким образом, месильные лопасти вращаются относительно неподвижных стенок дежи. Дежа подогревается электрическим нагревателем .
Рисунок 1 – Схема экспериментальной установки.
1 – станина, 2 – поворотный узел, 3 – дежа с перемешиваемой смесью, 4 – привод, 5 – контроллер ТРМ 202, 6 – частотный регулятор оборотов, 7 – датчик температуры, 8 – датчик крутящего момента, 9 – платформа.
Рисунок 2 – фотография установки
Месильные лопасти приводятся в движение асинхронным двигателем с программно-регулируемым числом оборотов. Поворот дежи ограничен упорами. В зоне ее подвижности реактивный крутящий момент измеряется с помощью прецизионного тензометрического датчика на сапфировой пластине (8). Крутящий момент, передаваемый месильным лопастям, связан с усилием, передаваемым на датчик соотношением
, Дж.
Мощность N, затрачиваемая на перемешивание, определяется выражением
Вт,
затраты энергии на перемешивание
, кВт*ч
здесь F – измеренное усилие, Н;
r – расстояние от датчика до оси вращения дежы;
N – частота вращения мешалки, оборотов в секунду;
t – время работы мешалки, ч.
В лабораторной работе измеряются усилие торможения дежи, температура теплоносителя в термостате и частота вращения шпинделя. Лицевая панель компьютерной системы измерения приведена на рис.2.3. При этом на экране монитора приведена схема установки, индикаторы мгновенных значений измеряемых величин, трехлучевой осциллограф для регистрации их временных зависимостей, панель ввода параметров регулирования процесса, и XY самописец для построения обобщенного графика зависимости крутящего момента от температуры смеси. Кроме того, на лицевую панель могут быть выведены мощность N и затраты энергии на перемешивание, автоматически вычисляемые критерии Эйлера и Рейнольдса.
Рисунок 3 – Лицевая панель компьютерной системы измерения
Для исследования неизотермического процесса перемешивания обычно используются нагретые до 45 – 50 оС гомогенизированные смеси жиров и воды, которые изменяют свои характеристики в процессе нагрева и охлаждения. Частота вращения шпинделя выбирается минимальной. В начале процесса приготовления бутербродного масла, пока температура смеси не ниже 40 оС, перемешиваемые ингредиенты являются жидкими веществами. Крутящий момент в этот период наименьший. По мере охлаждения и увеличения вязкости смеси, крутящий момент увеличивается. При уменьшении температуры ниже 30 - 35 оС смесь полностью затвердевает и перемешивание ее прекращается. Лопасти мешалки выфрезеровывают полость в образовавшемся продукте и большая его часть остается неподвижной. Крутящий момент при этом падает до нуля.
Порядок проведения работы
1. Изучить методические указания, заготовить форму отчета о проведенной работе, в которую внести название и цель работы, основные сведения об изучаемых процессах, схему экспериментальной установки, заготовить таблицу 2 для записи результатов измерений и вычислений.
2. Приготовить смесь исходных веществ объемом до 1 литр, залить их в дежу.
3. Установить мешалку выбранного типа.
4. Включить компьютер и подключить стенд к компьютеру.
5. Вызвать программу сбора и обработки данных лабораторной работы «Перемешивание».
6. Включить питание стенда с помощью автоматического выключателя «Сеть 220 В».
7. Задать на лицевой панели три режима для программного регулирования работы перемешивающего устройства в соответствии со следующей таблицей.
8. Запустить программу работы установки и систему измерений кнопкой «Пуск».
При этом измерительная система автоматически строит графики изменения температуры и крутящего момента от времени для каждого этапа испытаний.
Таблица 1 Режимы работы перемешивающего устройства
| № режима | Наименование | Время работы, мин | Частота, Гц |
| Начальный прогрев смеси | 5 Гц | ||
| Изотермический режим | 25 Гц | ||
| Неизотермическое охлаждение дежи | 20-30 | 25 Гц |
9. Включить перемешивание кнопкой ВК1.
10. На начальном этапе в процессе термостатирования смеси необходимо обратить внимание на увеличение температуры и снижения величины крутящего момента при постоянной скорости вращения мешалки.
11. При наступлении изотермического режима включается программное регулирование режима увеличения числа оборотов мешалки по линейному закону. При этом нас интересует, каким образом меняется величина крутящего момента в зависимости от частоты вращения. Оба этих показателя отображаются графически на временном графике и могут быть сохранены и обработаны в Excel для получения графической зависимости М = f (n).
12. Третий режим неизотермического перемешивания связан с увеличением вязкости перемешиваемой среды при остывании смеси. При его наступлении необходимо выключить подогрев дежи «ВК1» и наблюдать изменение величины крутящего момента с уменьшением температуры смеси и n=const.
13. Система измерения автоматически выключится при достижении заданного времени эксперимента.
14. Полученные данные при необходимости могут быть сохранены в Excel соответствующей клавишей на лицевой панели.
15. Обработать данные, сохраненные в Excel.
16. По результатам обработки заполнить таблицу 2.2, построить и объяснить графики следующих зависимостей:
1. крутящего момента от времени перемешивания,
2. крутящего момента от температуры при постоянном числе оборотов.
17. Ответить на контрольные вопросы и сделать самостоятельные выводы по выполненной работе.
Таблица 2. Результаты измерений крутящего момента
| Неизменяемые параметры | Результаты измерений | Изменяемые параметры | |||||||
| 1. Термостатирование | |||||||||
| n=const | Температура смеси, °С | ||||||||
| Крутящий момент, Н·м | |||||||||
| Мощность перемешивания, Вт | |||||||||
| 2. Изотермический режим | |||||||||
| Т=const | Обороты перемешивающего устройства, об\с | ||||||||
| Крутящий момент, Н·м | |||||||||
| Мощность перемешивания, Вт | |||||||||
| 3. Неизотермический режим | |||||||||
| n=const | Температура смеси, °С | ||||||||
| Крутящий момент, Н·м | |||||||||
| Мощность перемешивания, Вт | |||||||||
Контрольные вопросы
1. Какими параметрами можно характеризовать равномерность перемешивания?
2. Действия каких сил характеризует критерий Рейнольдса при перемешивании?
3. Какими причинами определяется экспоненциальный характер изменения равномерности перемешивания по времени?
4. Почему результаты экспериментальных исследований, как правило, представляются в критериальной форме? Не проще ли представлять их в той форме, в какой ведется конструкторский расчет – в виде зависимостей конечных результатов от действующих размерных параметров?
5. Как скажется увеличение температуры смеси на эффективность перемешивания?
Рекомендуемая литература
1. Малахов Н.Н.Процессы и аппараты пищевых производств: Учебник / Н.Н.Малахов, Ю.М. Плаксин, В.А. Ларин – Орел: ОрелГТУ, 2003.– 948 с.
2. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты пищевых химической и нефтехимической технологии.– М.: Химия, 1987. – 496 с