Диссертация (1152206), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Для определениямассы дозы использовались лабораторные весы VIBRA серии AJ 1200 отяпонской компании Shinko Denshi с ценой деления 0,01 г.Насыпная плотность молотого кофе зависит от плотности частиц;величины частиц и соотношения различных фракций; влажности частиц;степени давления вышележащих слоев на нижние. Стабилизация содержаниявлаги в кофе в процессе эксперимента проводилась использованием кофе дляэкспериментов сразу после вскрытия вакуумной упаковки. Степень давленияверхних слоев минимизируется за счет рассмотрения малого объемадозировочного стакана (5- 10 см3).Изобретение направлено на повышение точности, достоверности,сходимости и воспроизводимости результатов измерения натуры и насыпнойплотности молотого кофе [151].Предварительныйанализпоказалвозможностьаппроксимацииэмпирической кривой распределения насыпной плотности экстремальнымраспределением.
Наличие длинных «хвостов» кривой плотности распределенияможно объяснить наличием мелких фракций в составе дисперсного молотого64кофе. При таком подходе параметры, требующие конкретизации – типраспределения, параметр положения, параметр масштаба:При аппроксимации эмпирических кривых теоретическими законамираспределения на основе анализа данных эксперимента для экстремальногораспределения I-го типа параметр положения равен 1, а параметр масштаба непревышает 3.
Положения центров распределения молотого кофе (mol1) а такжесублимированного кофе (subl1) показывается на рисунке 2.6 [117, 118, 169].Рисунок 2.6. Положения центров распределения МКРезультаты эксперимента показал, что плотность молотого кофекалибрируется от 300 до 600 кг/м3.2.1.3. Экспериментальное определение сыпучести МКСыпучесть молотого кофе определяется по результатам испытаний наспециальном приборе – трибометре в лабораториях и характеризуется65зависимостью предельных касательных напряжений от нормальногонапряжения в толще МК [107, 132].Касательное и нормальное напряжения вычисляются по следующимформулам.
=с; = ;сс(2.10) = Г + мк(2.11)где − суммарный вес прижимного груза Г и масса молотого кофе мкв подвижной рамке; с = 0,0036 м2 – площадь сдвига в лабораторномтрибометре; с − сила сдвига.Начальное сопротивление сдвигу 0 растет при повышении влажностимелкофракционных частиц МК; при верхнем пределе влажности начальноесопротивлениевлажнойМКвомногоразбольше,чемначальноесопротивление в сухом состоянии МК.
При содержании пылевидных ипорошкообразныхфракций,тоувлажнениевызываетсущественногоповышения связности. Как указано в п.1.3, высота падения мелкофракционныечастицы МК влияет на углу естественного откоса.РезультатыэкспериментальногоопределениясыпучестиМКпредставлены в таблице 2.3.Таблица 2.3.№ВесСуммаСилап/пгруза,рныйсдвига,Напряжения,Г , кгвес ,с , кгкг/м2кгХарактеристики сыпучести МК0 , , град′, град31,40,6236,0кг/м210,0850,1850,15551,1043,0520,0850,1850,15551,1043,0530,2080,3080,24585,0860,0540,2080,3080,24585,0860,0550,4850,5850,395161,5109,7210,24466Практика показывает, что мелкофракционные частицы МК имеют уголестественного откоса больше, чем угол внутреннего трения.Наосновеполученнойтаблицы,построенаграфикзависимостипредельных касательных напряжений σy от нормальных напряжений σx втолще МК на рисунке 2.7. Видно что, с повышением нормального напряженияσx наблюдается увеличение касательного напряжения σy .Рисунок 2.7.
Зависимости предельных касательныхнапряжений от нормальных напряжений в толще МКЗависимость коэффициента внутреннего трения от насыпной плотностиМК – на рисунках 2.8. - 2.9.Насыпная плотность МК практически не влияет на численные значениякоэффициентов внешнего трения.При увеличении нормального напряжения в зоне сдвига на 15 %увеличивается коэффициент внутреннего трения не более, чем на 2–3 %.Результаты исследования сыпучести МК, полученные на трибометре,показывали, что мелкофракционные частиц МК являются связным материалом,так как сопротивление сдвигу τ0 больше нуля.67Рисунок 2.8. Характерные зависимость плотности МК откоэффициента внутреннего тренияРисунок 2.9. График поверхности изменения плотности откоэффициента трения МК68Полученные экспериментальные значения характеристик молотого кофемогут быть использованы в дальнейшем при математическом и натурноммоделировании процессов дозирования, а также для расчета техническихпараметров стаканчикового дозатора.2.2.
Анализ аналитических подходов к моделированию процессаистечения молотого кофе из бункера дозатораВ результате анализа проведенных в 1 главе исследований, былиотобраны наиболее информативные параметры состояния технологическогопроцесса производства МК на стадии дозирования с использованиемстаканчикового дозатора СД. Учитывая проведенные исследования (п. 1.3) и (п.1.9) была спроектирована параметрическая модель процесса истечения МК нарисунке 2.10.Процесс истечения молотого кофе зависит от фракционного состава,формы частиц, их взаимодействия об ограничивающую поверхность бункераобъемного дозатора СД [123, 63].
Взаимодействие частиц молотого кофе восновном, определяется способностью их перемещения и устойчивогоистечения. Поэтому необходимо рассмотреть механизм их взаимодействия.Параметры переменные при процессе истечения молотого кофе (МК)усложняют на много вычисление, чтобы найти адекватную модель, к которойони относятся [88, 43-44].При истечении МК может не вытекать из отверстий бункера объемногодозатора СД, если происходит в том случае, когда над отверстием образуетсясвод из частиц молотого кофе.
Сводообразование молотого кофе объясняетсявозникновением в зоне разгрузочного отверстия такого напряженногосостояния, при котором горизонтальные напряжения в слое частиц МКдостигают наивысшего значения. Горизонтальные давления уплотняют МК,создают соответствующую вертикальную составляющую распора свода,69которая становится достаточной для восприятия массы молотого кофе надотверстием бункера СД [28, 35].Рисунок 2.10. Параметрическая модель процесса истечения МК − гранулометрический состав (размер частиц) (0.02-0.04мк) (X1)1 − расход подачи МК (м3 /с) (X2) − коэффициент истечения (0.1- 0.6) (X3) − влажность МК (4-6%) (X4) − размер выпускного отверстия бункера (0.08- 0.11м) (X5)1 − скорость подачи молотого кофе в бункер (рад/сек) (X6)ис − скорость истечения МК (0.03 – 0.4 м/с) (X7) − плотность МК (300 − 600 кг/м3 ) (X8)′ − коэффициент трения (0.5 − 0.7) (X9)2 − расход молотого кофе на выходе бункера, (м3 ) (Y2)ℎ − уровень молотого кофе в бункере (0.2 − 1м) (Y3).Размер диаметра выпускного отверстия бункера , влажность иплотность МК , а также коэффициент истечения и коэффициент трения ′являются основными свойствам при истечении молотого кофе из бункерастаканчикового дозатора в процессе дозирования [65, 131].Для молотого кофе существует минимальный диаметр отверстия (мин ),при котором над ним образуется устойчивый свод из частиц молотого кофе,70препятствующий их истечению из отверстия на рисунке 2.11.
Также высокаявлажность молотого кофе приводит к образованию сводов.Рисунок 2.11. Свод молотого кофе над отверстием бункераЧтобыопределить,коэффициентистечениярассматриваемгидравлический подход к истечению МК, описывающий через уравнениямеханики, где теоретическая скорость истечения МК, определяется по теоремеБернулли [149, 153, 158, 160, 161].01 22+ =++ 22(2.12)Где, − высота бункера, − плотность молотого кофе,давлением,22−нагрузкискорости,22−нагрузки0 1,− нагрузкикоэффициентасопротивления отверстия истечения бункера, − коэффициент сопротивления.Для решения задачи определяется начальное условие: Скорость в точке0 = 0, абсолютное давление , будет равно.=+0 − 1(2.13)71Так как рассматриваем атмосферическое давление в точке 1 , то 1 =0 = атм.
, тогда = . Сравниваем уравнение (2.12), (2.13) и получаем:2=(1 + )2(2.14)Из уравнения (2.14) определяем скорость истечения молотого кофе:=1√1+√2 = √2 , где − коэффициент скорости [89].Согласно уравнению Зенкова, у молотого кофе при истечении из бункеракак сыпучий материал имеет коэффициент истечения.
Этот коэффициентистечения определяется по следующим формулам [64]. = , где(2.15)ε − коэффициент, зависящий от размера частицы молотого кофе () иразмера отверстия истечения бункера () [143].ε= (dмк 2d) , где dмк − диаметр частиц молотого кофе; − диаметротверстия истечения бункера. Тогда гидравлическая скорость истечениямолотого кофе из бункера СД будет.гд = √2(2.16)Формула (2.16) совпадает с формулой Зенкова [142].Практика показалось, что гидравлический вид истечения всех частицмолотого кофе находятся в движении, и осуществляется редко. Свободнаяповерхность кофе в бункере не имеет четко выраженной воронки, все частицыданной поверхности молотого кофе опускаются одновременно и скоростьнекоторых частиц носит стохастический характер.
При таком виде истеченияотсутствуют застойные зоны, что позволяет выравнивать поток МК, которыйпоступает в бункер [182].При нормальном виде истечения молотого кофе вдоль стенок бункера СДобразует застойную зону. В этой зоне частицы неподвижны до тех пор, пока72воронка образованная на поверхности молотого кофе, не достигнет самогонижнего поперечного сечения бункера.МК отличается от жидкостей наличием внутреннего трения, а такжеимеются силы сцепления. При процессе хранения МК в бункере СД,осуществляются напряжения на стене бункера.Для определения оптимальных параметров бункеров для хорошегоистечения молотого кофе, рассматривается теория Janssen и Walker [57, 178].Аналитический подход к определению давления действующего в бункереСДприпроцессехраненияМКпринимается,согласнорезультатамисследования тензоров напряжений сыпучих материалов основанный Janssen в1895. Он с помощью цилиндра находил разные тензоры напряжения, которыедействуют на сыпучий материал при его нахождении в бункере.нап =где,нап −отношениеσyσx; 0 < < 1; σс =междуℎ;тангенциальных(касательных)инормальных напряжения; σy − тензор в оси Y (тангенциальное или касательноенапряжение); σx − тензор в оси X (нормальное напряжение); σс − напряжение вусловиях критического состояния молотого кофе; ℎ − тензор в оси X частицмолотого кофе; − тензор в оси Y частиц молотого кофе.В 1970 Hancock анализировал теорию Janssen и представил метод(Method of differential slices), который стал основанием конструкции бункеровдля сыпучих материалов.
В 1966 Walker исправил теорию Janssen по поводуосновных тензоров напряжения через теорию Mohr, но является необходимымтолько когда есть ошибка [177]. Согласно теориям Jenike известно как “ waldyield locus ” (WYL), можно определить адгезию частиц молотого кофе вбункере и коэффициент трения [163-166]. Для равновесия молотого кофе,касательное напряжение по любой площадке, должно быть меньше или равносопротивлению сдвигу МК.Напряжения действующие, в процессе истечении молотого кофе избункера СД описываются.73 = + = ′(2.17)где; σy − касательное напряжение (напряжение к стене бункера); cw −коэффициент адгезий МК к стене бункера; σx − нормальное напряжение; βw −угол внутреннего трения на стене бункера; fw′ − коэффициент внутреннеготрения.Давление в цилиндрической части бункера СД с молотым кофе нарисунке 2.12б будет: = ( − ℎ)(2.18)Рисунок 2.12.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
