Расчет машины непрерывного действия ШТ-1М

 

Определение расхода энергии необходимо для расчета тестомесильной машины и энергетического анализа отдельных стадий замеса, совершенствования механизма процесса и обоснования рациональных параметров отдельных стадий замеса.

У большинства современных тестомесильных машин замес совершается в результате вращательного движения одной или нескольких месильных лопастей. Составим баланс энергии для тестомесильной машины с вращательным движением месильной лопасти. Для упрощения определим баланс энергозатрат на один цикл месильной лопасти:

 

. (1)

 

На рисунке 4 представлена упрощенная модель тестомесильной машины, состоящей из емкости, в которой вращается вал с закрепленной на нем лопастью прямоугольной формы. Она установлена под углом a к образующей.

 

Рисунок 4 - Расчетная схема тестомесильной машины

 

За один оборот элементарная площадка месильной лопасти шириной dx, находящаяся на расстоянии х от центра вращения, перемещает элементарную массу по кругу:

 

, (2)

 

и в осевом направлении:

 

, (3)

 

где k - коэффициент подачи теста.

Масса dm перемещается по кругу со скоростью V = 2 p xn,амасса dm ₁- в осевом направлении со средней скоростью V ₁= Sn,где S - шаг образующей наклона лопатки.

Элементарная работа смешения равна кинетической энергии, которую элементарная площадка месильной лопатки передает массе теста:

 

. (4)

 

Работа смешения, совершаемая всей поверхностью лопаток:

 

. (5)

 

Производя подстановку в формулу (5), получим интегральное уравнение смешивания:

 

. (5.1)

После интегрирования получаем выражение для расчета работы, расходуемой на перемещение массы компонентов в месильной емкости. Мы не учитываем работу, расходуемую на преодоление трения между перемещающимися частицами массы. Эта работа будет учтена в расчете при определении расхода энергии на нагрев теста:

 

. (5.2)

 

Работа А ₁совершается за один оборот вала, то есть за время t = 1/ n.

Работа, расходуемая на вращение массы месильных лопаток A ₂, может быть определена следующим образом. Введем выражение для элементарной массы одной лопатки:

 

, (6)

 

и линейной скорости ее вращения:

 

, (7)

 

в дифференциальное уравнение работы для а месильных лопастей и проинтегрируем его в пределах от r ₁ до r ₂:

 

, (8)

 

. (8.1)

 

Работа, расходуемая на нагрев теста и металлоконструкции тестомесильной машины за один оборот одной месильной лопатки:

 

. (9)

 

С некоторым допущением можно считать, что температуры теста и месильной лопатки одинаковы, тогда:

 

. (9.1)

 

Работа, затраченная на структурные изменения в тесте, А ₄. Ее непосредственное определение представляет значительные трудности. В первом приближении ее можно вычислить из баланса энергии замеса по экспериментальным данным.

Поскольку структурные изменения в массе теста зависят от интенсивности замеса и пропорциональны работе перемешивания А ₁, то работу А ₄ в первом приближении можно вычислить по уравнению:

 

. (10)

 

После определения составляющих баланса энергозатрат за один цикл месильной лопасти найдем суммарные энергозатраты.

По величине расхода энергии на замес можно рассчитать мощность приводного электродвигателя тестомесильной машины:

 

. (11)

 

Расчет тестомесильной машины. Расчет тестомесильной машины выполняется при создании новой конструкции либо при проверке технических данных существующей машины, подвергшейся реконструкции с целью совершенствования ее рабочего процесса. При создании новой машины расчет начинают с обоснования выбора единичной мощности (производительности). Затем определяют вместимость месильной камеры и производят расчет баланса энергозатрат, расчет мощности, потребной для привода тестомесильной машины, подбор электродвигателя и редуктора. На основании данных по расчету энергозатрат производится оценка мероприятий по совершенствованию рабочего процесса тестомесильной машины.

Выбор производительности тестомесильной машины осуществляют из расчета обеспечения тестом разделочных линий и печей в соответствии с параметрическими рядами технологического оборудования хлебозаводов. Производительность тестомесильной машины определяется по уравнению:

 

, (12)

 

где k ₀- коэффициент, учитывающий возможные остановки машины на регулировку и очистку; для машин непрерывного действия k ₀ = 1,6 ÷ 1,1, для машин периодического действия k ₀ = 1,2 ÷ 1,3.

Затем определяется вместимость месильной камеры (в м³). Для тестомесильных машин непрерывного действия:

 

, (13)

 

где k ₁- коэффициент заполнения месильной камеры; при непрерывном замесе k ₁ = 0,6 ÷ 0,7.

Затем составляют баланс энергозатрат на рабочий процесс, производят расчет мощности для привода тестомесильной машины и подбирают электродвигатель.

Произведем расчет тестомесильной машины непрерывного действия «ШТ-1М», производительность которой должна обеспечить тестовыми заготовками печи площадью пода 16 м², т. е. П _П = 350 кг/ч. В таблице 1 представлены необходимые данные.

 

Таблица 1 - Исходные данные для расчета

Упек по горячему хлебу у, %	7
Длительность замеса t3, с	150
Длительность вспомогательных операций tВ, с	250
Коэффициенты: k 0 k 2	1,3 0,5
Частота вращения вала месильной лопасти n, с-1	16,2

Параметры месильной лопасти:

r ₁ = 0,14 м, r ₁² = 0,196 м r ₁³ = 0,0027 м

r ₂ = 0,03 м r ₂² = 0,009 м r ₂³ = 0,00003 м

КПД машины h = 0,85.

Коэффициент подачи теста k = 0,3.

Температура теста: t ₁ = 35 °С, t ₂ = 28 °С.

Определим производительность тестомесильной машины по формуле (12):

 кг/ч;

Вместимость месильной камеры тестомесильной машины найдем по формуле (13):

 м³,

Принимаем вместимость месильной камеры V_П = 280 дм³.

Для расчета и анализа рабочего процесса составим баланс энергозатрат и оценим долю каждой из статей затрат в общем расходе энергии. Используя формулу (5) найдем работу, расходуемую на перемешивание компонентов:

Работу, расходуемую на привод месильных лопастей найдем по формуле (8.1):

 Дж.

Работу, расходуемую на нагрев теста и соприкасающихся с ним металлических частей машины найдем по формуле (9.1):

А ₃ = (35 - 28)/16,2 - 150 (50 - 2300 + 16 - 500) = 354 Дж/об.

Работу, расходуемую на изменение структуры теста найдем по формуле (10):

А ₄ = 9 Дж/об.

На основании полученных данных, по формуле (1) составим баланс энергозатрат:

А = 90 + 10,8 + 354 + 9 = 463 Дж/об.

Выразим составляющие баланса в процентах: A ₁ = 19,4%; А ₂ = 2,3 %; А ₃ = 76,4 %; А ₄ = 1,9 %. Анализ затрат энергии по отдельным статьям позволяет судить о степени совершенства конструкции машины. В рассматриваемом случае 76,4 % всего энергопотребления составляют потери энергии на нагрев теста. Расчет мощности, необходимой для привода тестомесильной машины найдем по формуле (11):

N = 463,8 × 16,2/0,85 = 8839 Вт.

Как показывает анализ энергозатрат в тестомесильных машинах, потери на нагрев теста повышаются при увеличении частоты вращения и геометрических размеров месильной лопасти. Отсюда следует, что в этом отношении лучший эффект может быть получен при уменьшении до предела сечения лопасти, определяемого из условия прочности. Что же касается выбора оптимальной частоты вращения, то здесь следует учитывать эффективность перемешивания и необходимую интенсивность механического воздействия на отдельных стадиях замеса.