Введение к работе
Актуальность темы. Процессы смешивания сыпучих материалов широко применяются в различных отраслях промышленности. Темпы развития этих отраслей требуют совершенствования конструкций оборудования для смешивания: повышения его надежности и работоспособности. Кроме того, остро стоит проблема снижения себестоимости продукции, а также повышения её качества и уменьшения энергетического потребления.
Данная проблема может быть решена путём широкого внедрения новой техники и повышения эффективности использования действующего оборудования.
Основная задача перемешивания состоит в получении однородных дисперсных систем, интенсификации процессов химического превращения, массо- и теплопереноса. Перемешивание происходит вследствие дополнительного ввода энергии в рабочую среду.
В настоящее время при постоянно растущих требованиях по улучшению качества продукции и снижению энергоёмкости оборудования и технологических процессов важной задачей является создание новых методов и принципов разработки современной техники и технологии.
Применяемые сегодня способы перемешивания, положенные в основу работы многих аппаратов, практически не претерпели существенных изменений за последние десятилетия. Смешение компонентов осуществляется, в основном, благодаря взаимодействию перемешиваемых сред с различными типами вращающихся элементов машин. Данный способ перемешивания имеет ряд существенных недостатков, связанных с образованием застойных зон в рабочем объёме, порождаемых замкнутостью траекторий движения рабочих органов. Попытка решения данной проблемы традиционными способами (за счёт усложнения траекторий движения рабочих органов) приводит к чрезмерному усложнению конструкций смесителей и росту их стоимости. Дальнейшее развитие смесительных аппаратов в этом направлении не имеет практических перспектив, что вынуждает искать новые способы перемешивания.
В связи с этим, в течение нескольких лет в НЦ НВМТ РАН под руководством академика РАН Р.Ф. Ганиева на базе явлений и эффектов нелинейной волновой механики разработаны новые принципы интенсификации массообменных процессов в различных типах сред. Открытые теоретически и подтвержденные экспериментально волновые эффекты, возникающие в многофазных средах под воздействием колебаний и волн, являются той основой, которая позволяет решать важнейшие технологические задачи с позиции новых методов. Дальнейшее развитие и исследование новых способов воздействия на многофазные среды позволит значительно улучшить многие показатели существующих технологических процессов, а также определит новые пути развития техники и технологии.
В рамках созданной в НЦ НВМТ РАН волновой технологии были выявлены волновые эффекты интенсивного резонансного волнового воздействия на различные порошкообразные материалы. Также была разработана методика проектирования волновых рабочих элементов машин, реализующих возможность организации интенсивных трёхмерных течений в обрабатываемом объёме сыпучей среды на основе эффектов нелинейной волновой механики.
На основании вышесказанного можно заключить, что, несмотря на всё многообразие существующих перемешивающих устройств, исследования в области изучения и разработки новых принципов перемешивания и аппаратов, реализующих эти принципы, являются актуальной задачей.
Цель работы. Основной целью данного исследования является получение новых научных данных о нелинейных волновых воздействиях и эффектах в процессах перемешивания дисперсных сред.
Основные задачи исследования
1. Анализ существующих технологий перемешивания сыпучих сред (рассмотрение ряда конструктивных решений смесителей порошкообразных сред и определение их достоинств и недостатков).
2. Создание и отработка научной методики расчёта и проектирования вибрационных приводов волновых машин и аппаратов.
3. Осуществление экспериментальных исследований нелинейных волновых эффектов в процессах перемешивания и активации сухих порошкообразных материалов.
4. Создание ресурсосберегающих технологий и устройств на основе волновых принципов для интенсификации процессов перемешивания и активации порошкообразных материалов.
Научная новизна
В результате проведённых в НЦ НВМТ РАН теоретических исследований создана научно обоснованная методика расчёта и проектирования вибрационных приводов волновых машин и аппаратов.
Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена гипотеза о значительном снижении энергозатрат при смешении и активации сухих порошкообразных материалов в резонансном режиме за счет реализации эффектов теории нелинейной волновой механики.
На основе полученных результатов применения резонансных волновых режимов перемешивания сыпучих сред различной дисперсности математически описаны и экспериментально подтверждены эффекты разуплотнения и виброперемешивания сухих порошкообразных материалов.
На основе проведенного анализа сравнительных характеристик кинематических схем традиционных и волновых смесителей сыпучих сред научно доказано, что волновые смесители позволяют получать материалы с улучшенными физико-механическими свойствами.
Практическая ценность
Разработанный волновой смеситель позволяет обрабатывать различные сыпучие среды, в частности, на гипсовой основе, в том числе, с дисперсностью частиц менее 1 мкм при относительно небольшом энергопотреблении, осуществляя воздействие на физические, реологические, строительно-технологические свойства обрабатываемых сред.
В плане практического применения результаты исследования волнового перемешивания имеют очень широкое распространение, т.к. в качестве сыпучих материалов могут выступать строительные смеси, различные порошкообразные лекарственные средства, красящие пигменты, полимеры, и многое другое. Результаты использованы при разработке технологии приготовления строительных сыпучих материалов с повышенными физическими и технологическими характеристиками.
Апробация работы
Результаты диссертационной работы и основные положения докладывались в рамках: IV Всероссийского конкурса молодых учёных, Миасс 2012г., Международной конференции "Колебания и волны в механических системах", ИМАШ РАН, Москва 2012г., Международной научной школы молодых учёных и специалистов "Механика неоднородных жидкостей в полях внешних сил: Вихри и волны" ИПМ РАН, Москва 2011г., на ежегодных семинарах НЦ НВМТ РАН.
Публикации
По результатам проведенных исследований опубликовано 18 научных работ, 3 из которых опубликованы в научных журналах, входящих в перечень ВАК.
Структура и объём работы
Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав, основных выводов и рекомендаций, списка использованной литературы из 95 наименований и двух приложений. Работа изложена на 130 страницах машинописного текста и содержит 59 рисунков и 7 таблиц.
