Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние и направления развития техники и технологии сверхтонкого измельчения
1.1. Оборудование, применяемое для сверхтонкого измельчения материалов 10
1.2. Струйные мельницы: классификация, конструкции, направления развития 11
1.2.1. Струйные мельницы с вертикальной трубчатой камерой... 14
1.2.2. Струйные мельницы с противоточной помольной камерой 15
1.2.3. Струйные мельницы с плоской помольной камерой 19
1.3. Выбор рациональной конструкции струйной мельницы 24
1.4. Существующие методики расчета струйных мельниц с плоской помольной камерой 27
1.5. Выводы 30
1.6. Цель и задачи исследований 31
ГЛАВА 2. Разработка математической модели движения двухкомпонентной смеси в вихревой помольной камере
2.1. Основные положения 32
2.2. Распределение скорости воздуха в вихревом потоке 32
2.3. Разработка методики аэродинамического расчета вихревой помольной камеры 47
2.4. Математическое моделирование движения частиц в помольной камере вихревой мельницы 50
2.5. Прогнозирование эксплуатационных характеристик вихревой помольной камере 61
2.6. Выводы 70
ГЛАВА 3. Методика проведения экспериментальных исследований струйной мельницы с плоской помольной камерой .
3.1. Основные положения экспериментальных исследований .71
3.2. Описание экспериментальной установки, применяемого оборудования и средств контроля 72
3.3. Физико-механические и химические свойства исследуемого материала 81
3.4. Планирование эксперимента 83
3.5. Выводы 88
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования струйной мельницы с плоской помольной камерой
4.1. Исследования аэродинамических параметров струйной мельницы с плоской помольной камерой 89
4.2. Исследования влияния основных параметров на эффективность измельчения струйной мельницы с плоской помольной камерой 98
4.3. Анализ влияния основных параметров на эффективность процесса измельчения и основные закономерности 106
4.4. Выводы 124
ГЛАВА 5. Расчет конструкторско- технологических параметров струйной мельницы с плоской помольной камерой .
5.1. Методика расчета конструктивных параметров струйной мельницы с плоской помольной камерой 126
5.2. Выбор рационального режима процесса измельчения 128
5.3. Устройство для вихревого измельчения материалов 129
5.4. Выводы 130
Общие выводы 131
Литература 133
Приложения 142
- Существующие методики расчета струйных мельниц с плоской помольной камерой
- Математическое моделирование движения частиц в помольной камере вихревой мельницы
- Описание экспериментальной установки, применяемого оборудования и средств контроля
- Исследования влияния основных параметров на эффективность измельчения струйной мельницы с плоской помольной камерой
Существующие методики расчета струйных мельниц с плоской помольной камерой
Вихревая мельница содержит корпус 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками, верхнюю 4 и нижнюю 5 торцевые крышки, центральное отверстие 6 в верхней торцевой крышке 4, вставку 7 с профилированной внутренней поверхностью, с входной щелью 8 и с выходными классифицирующими щелями 9, за-грузочно-вихревую камеру 10 с раскручивающим патрубком 11 и с трубчатым питателем 12.
Вихревая мельница работает следующим образом. Энергоноситель - воздух, сжатый до 0,3 + 0,6 МПа, поступает через входной патрубок 2 и щель 8 в вихревую помольную камеру. В камере образуется вращающийся поток, который выходит из нее частично через выход 9 в корпус 1 и патрубок 3, а частично в отверстие 6; поток, выходящий через отверстие 6, попадает в камеру 10, где продолжает вращаться. Вследствие вращения в центре этого потока образуется область пониженного давления. Измельчаемый материал, поступающий в трубчатый питатель 12, затягивается в область пониженного давления. Материал вовлекается во вращательное движение и под действием центробежных сил доставляется к профилированным стенкам 7. Измельчаемый материал, достигший определенного размера частиц, выводится с потоком воздуха в классифицирующий выход 9.
Центральное отверстие 6 в торцевой крышке 4 несет не одну функцию, а сразу две: в центральной части отверстия происходит загрузка мельницы, а вблизи кромки отверстия 6 выход отработанного энергоносителя.
Такая конструкция вихревой мельницы позволяет обеспечивать непрерывную загрузку измельченного материала без дополнительных энергозатрат, а также за счет выбора соотношения площадей выходов производить разделение потоков внутри помольной камеры и обеспечивать получение продукта с фиксированными граничными размерами. Однако существенным недостатком этой вихревой мельницы является то, что необходимо соотношение расходов энергоносителя в периферийный и центральный выходы поддерживать в пределах 1 / (0,8 - 3). Ели расход в центральный выход слишком мал, то энергии потока не хватит для эжектирования. При слишком большом расходе энергоносителя в центральный выход с ним увлекается измельченный материал. Система непрерывной загрузки действует, однако появляется необходимость извлекать из центрального потока измельченный продукт. В то же время недостаток вихревых измельчителей заключается в том, что они не могут перерабатывать сверхпрочные и высокомодульные волокна. Рис. 1.7. Устройство вихревого измельчения. С этой целью научно-производственным предприятием «Термостойкий текстиль» создано устройство вихревого измельчения волокнистых материалов [84]. Устройство вихревого измельчения волокнистых материалов показано на рис. 1.7. Оно состоит из помольной камеры 1 с крышкой 2, имеющей центральное отверстие 3, тангенциальные патрубки 4 подачи энергоносителя, узел подачи материала 5 и узел газовзвеси 6, выполненный в виде обечайки с дном 7, внутри которой размещается помольная камера с зазорами между ней и обечайкой, между ней и дном обечайки. Помольная камера установлена в узле вывода газовзвеси с помощью патрубка 4. В ней имеется паз 8 для вывода газовзвеси, вкладыши 9, отражатели 10 и элементы резки 11. Вихревой измельчитель работает следующим образом: через тангенциальные патрубки 4 в помольную камеру 1 подается поток энергоносителя, образуя вихревой слой, в который из узла подачи материала 5 поступает исходный материал. Газовзвесь по пазу 8 и через центральное отверстие 3 выводится из помольной камеры 1 в узел вывода газовзвеси 6. Устройство вихревого измельчения может быть использовано в химической, строительной и других областях промышленности. Следует отметить, что недостатками данного устройства является сложность конструкции и невозможность классификации готового продукта. В настоящее время нет оптимального варианта конструктивного решения струйного измельчителя, который удовлетворял бы ряду требований, предъявляемых к такому классу мельниц. Многие десятки установок отечественного производства успешно эксплуатируются в течение ряда лет. С 1965 года струйные мельницы выпускаются серийно. Однако это производство не может успешно развиваться без разработки новых положений теории измельчения и измельчителей. На основании анализа существующих типов конструктивного исполнения струйных мельниц и направления их развития можно сделать вывод о том, что наибольший интерес представляют струйные мельницы с плоской помольной камерой. Нами была разработана новая конструкция струйной мельницы с плоской помольной камерой, которая при подаче заявки на изобретение получила название струйная вихревая мельница, изображенная на 1.8. [54]. Эта мельница предназначена для тонкого и сверхтонкого измельчения материалов и может быть использована в химической, строительной и др. областях промышленности.
Математическое моделирование движения частиц в помольной камере вихревой мельницы
Оптимальный вариант вихревой мельницы может быть выбран из условия минимума энергозатрат на единицу произведенной продукции [109].
Для более детального выяснения полной картины динамики двухкомпонентной смеси в помольной камере вихревой мельницы был произведен анализ скоростных параметров воздушного потока.
С этой целью были построены графические зависимости, которые изображают процесс изменения аэродинамических характеристик потока. Графические зависимости, полученные при решении выражений (2.42 - 2.44; 2.86), представлены на рис. 2.12. Результаты расчетов данных выражений приведены в приложении I. Расчет аэродинамических показателей даёт возможность судить о характере поведения скорости воздушного потока в зависимости от конструктивно-технологических параметров. После выхода из патрубков плотность энергоносителя понижается, в следствии чего происходит увеличение скорости потока и соответственно его динамического давления. Так, увеличение давления, подаваемого в два противоположных патрубка, от 0,05 МПа до 0,25 МПа приводит к увеличению скорости воздушного потока для различных размеров входных сечений. Следует отметить также, что значительное увеличение размеров входных сечений снижает скорость потока, это отмечено для сечений 10x10 мм. Данная закономерность наблюдается при различных значениях рабочего давления. При давлении 0,05 МПа скорость энергоносителя повышается плавно от 125,5 м/с до 188,8 м/с для сечений размером 2x2 мм - 8x8 мм, далее снижается до 178,8 м/с. При давлении равном 0,1 МПа идет увеличение скорости частиц до 215,4 м/с. При давлении 0,15 МПа повышение скорости энергоносителя происходит от 168,2 м/с до 225,02 м/с, затем с увеличением размеров сечения наблюдается некоторое снижение до 214,8 м/с. Давление равное 0,2 МПа позволяет разогнать частицы до 265,8 м/с для сечения 8x8 мм и 215,6 м/с для сечения 10x10 мм. При давлении 0,25 МПа сначала происходит резкое увеличение скорости воздушного потока от 198,1 м/с до 269,7 м/с, потом происходит некоторый спад до 228,8 м/с для сечения 10x10 мм. Из графика на рис. 2.12 видно, что прирост скорости при увеличении давления от 0,2 МПа до 0,25 МПа незначителен. Так, например, для сечения 2x2 мм при увеличении рабочего давления прирост скорости составит 7,14 м/с, а для сечения 8x8 мм - 3,9 м/с. Таким образом, анализируя результаты расчета (приложение 1) и графические зависимости следует отметить, что предпочтительным режимом можно считать подаваемое давление 0,15 - 0,2 МПа и размеры сечений 6x6 мм и 8x8 мм. Так как небольшие размеры сечений 2x2 мм и 4x4 мм не могут обеспечить требуемой скорости воздушного потока необходимой для измельчения, а увеличение давления приведет лишь к дополнительным энергозатратам при этом прирост скорости будет незначителен. 2.6 Выводы 1. Произведен анализ распределения скоростей воздуха в вихревом потоке и на его основе предложено выполнить аэродинамический расчет вихревых помольных камер. 2. Получены зависимости, позволяющие определить аэродинамические параметры вихревой помольной камеры, учитывающее её конструктивно-технологические параметры. 3. Разработана методика аэродинамического расчета вихревой помольной камеры, связывающая геометрические и аэродинамические параметры, и являющаяся основой для моделирования движения частиц измельчаемого материала. 4. Получена математическая модель движения двухкомпонентной смеси в вихревой помольной камере мельницы, которая позволяет производить расчёт скорости потока. 5. Предложена методика расчета таких показателей, как тонкость помола, производительность аппарата и его энергопотребление. Методика проведения экспериментальных исследований по получению порошков известняка в струйной мельнице с плоской помольной камерой заключается в следующем: - разработке и изготовлении экспериментальной установки, стенда для изучения аэродинамических параметров высокоскоростного потока, влияющего на протекание процесса измельчения; - установлении параметров, подвергающихся изменению и контролю при проведении экспериментальных исследований; - выборе критериев оценки конечных результатов процесса измельчения; - выборе плана проведения многофакторного эксперимента, установление уровней и интервалов варьирования исследуемых параметров процесса; - определении показателя качества получаемого продукта измельчения -средневзвешенного диаметра частиц измельчаемого материала. Для получения аэродинамических параметров высокоскоростного потока предлагается произвести измерения и оценку динамического, статического, полного давлений рабочего и смешанного потоков в струйной мельнице с плоской помольной камерой, определить расход рабочего энергоносителя. Данные исследования необходимо произвести при различных комбинациях параметров, подвергаемых изменению. Полученные результаты рекомендуются использовать при проведении экспериментальных исследований по измельчению известняка при тех же комбинациях изменяемых параметров для оценки показателя качества готового продукта.
Описание экспериментальной установки, применяемого оборудования и средств контроля
Для определения основных параметров струйной мельницы с плоской помольной камерой необходимо изучить и оценить влияние различных доминирующих факторов на стадии разгона.
Ударное измельчение в наиболее чистом виде осуществляется в струйных мельницах, в которых измельчаемый материал разрушается в основном в результате соударений частиц, перегретого пара или газов.
Поэтому представляется уместным рассмотреть в связи с этим такую важную для понимания механизма процесса, практики конструирования и эксплуатации данных мельниц задачу определения скорости воздушного потока. При этом особый интерес вызывает установление необходимой скорости, которую должны набрать частицы материала для того, чтобы их кинетическая энергия оказалась достаточной для разрушения с неподвижной стенкой или частицей. Чем выше кинетическая энергия потока, тем выше степень разрушения материала. Поэтому на первом этапе исследований необходимо произвести измерения и оценку динамического, статического и полного давлений.
Для определения давления воздуха в заданном сечении патрубков для подачи энергоносителя прямоугольное сечение разбивали на площадки, подобные сечению газопровода, линиями параллельными его стенкам, а измерения производились в центре каждого полученного прямоугольника. Схема разбивки представлена на рис. 4.1.
Сжатый воздух от компрессора подавался в патрубок, при этом производились замеры полного, динамического и статического давлений на выходе потока из патрубка в помольную камеру струйной мельницы с равномерным шагом. ДЛЯ проверки теоретических разработок и принятых допущений был проведен ряд экспериментов, позволяющих оценить адекватность полученных теоретических решений протекающему физическому процессу.
Опыты проводились при постоянных длине и диаметре патрубков для подачи энергоносителя: соответственно 150мм и 20мм, с изменением размеров прямоугольных сечений: 2x2; 4x4; 6x6; 8x8; 10x10 мм и давления рабочего энергоносителя (сжатого воздуха): 0,05; 0,1; 0,15; 0,2; 0,25 МПа. С этой целью были изготовлены сменные наборы пластин различного сечения, представленные в разделе 3.2.
Результаты экспериментов по определению давлений и скорости воздушного потока на выходе из патрубков для подачи энергоносителя или при входе в помольную камеру струйной мельницы в зависимости от размеров сечений и давления рабочего потока, подаваемого в патрубки представлены в табл. 4.1.
На основании проведенных экспериментов можно сделать вывод о том, что с увеличением размеров сечений и давления рабочего потока, поступающего на патрубки для подачи энергоносителя, скорость воздушного потока увеличивается. Однако следует отметить, что значительное увеличение размеров сечения, несмотря на увеличение давления рабочего потока, отрицательно сказывается на скорости воздушного потока.
На графиках, изображенных на рис. 4.2 видно, что при размерах сечения 2x2 мм и давлении рабочего потока 0,05 и 0,1 МПа скорость потока составляет 124,4 м/с и 136,6 м/с соответственно, что несколько ниже необходимой и, как следствие, это отразится на эффективности помола. При размерах сечения 4x4мм и рабочем давлении 0,05 и 0,1 МПа, а также при размерах сечения 6x6 мм и рабочем давлении 0,05 МПа скорость энергоносителя несколько выше 141,8 м/с и 152,3 м/с, однако все еще является недостаточной для эффективного процесса помола. Максимальная скорость воздушного потока достигается при использовании сечений размером 8x8 мм и рабочем давлении от 0,05 до 0,25 МПа.
В тоже время использование размеров сечений больше 10x10 мм для такого типоразмера патрубков нежелательно, поскольку на 5-10% происходит снижение скорости воздушного потока по сравнению с применением сечений 8x8 мм. Таким образом, наиболее рациональным является использование для патрубков для подачи энергоносителя (сжатого воздуха) сменных пластин размером 20x150 мм, имеющих прямоугольное сечение размером 8x8 мм. А при применении сменных пластин небольшого сечения, таких как 2x2 мм и 4x4 мм, с целью увеличения скорости воздушного потока, влияющей на процесс измельчения (помола), осуществлять подачу рабочего давления от компрессора на патрубки выше 0,1 МПа.
Как видно из графиков, изображенных на рис. 4.2, а также результатов экспериментов (табл. 4.1) и теоретических данных, представленных в приложении 1, расчетные данные несколько выше, чем экспериментальные, т.е. точки, полученные эмпирически в большинстве случаев ниже кривых, полученных теоретически. Это объясняется тем, что не были учтены все факторы, влияющие на процесс движения воздушного потока. Изменения характера движения потока довольно сложная задача, трудно поддающаяся описанию. В тоже время возникает ряд трудностей при проведении экспериментальных исследований.
Поэтому между теоретическими и экспериментальными данными существуют расхождения. Погрешность между теоретическими и экспериментальными данными составляет в среднем 10% (максимальное значение 14%). Однако при всех полученных расхождениях можно сделать вывод, что наблюдается не только качественное подтверждение экспериментами теории, но и получение реальных аэродинамических характеристик.
Исследования влияния основных параметров на эффективность измельчения струйной мельницы с плоской помольной камерой
Таким образом, установлено, что выражения (4.11; 4.12; 4.13) выражают функциональную зависимость средневзвешенного диаметра частиц, производительности, удельных энергозатрат от выбранных нами варьируемых факторов.
Одним из наиболее существенных факторов, влияющих на средневзвешенный диаметр частиц и производительность, является давление рабочего потока Рраб. Увеличение давления способствует повышению производительности, уменьшению средневзвешенного диаметра частиц. Вторым по значимости является крупность исходного материала dM. Основные удельные энергозатраты связаны, во-первых, с крупностью исходного материала, во-вторых, с расходом энергоносителя.. Все остальные факторы воздействуют в меньшей степени. Более детальный анализ данных выражений представлен ниже в виде графических зависимостей. С целью изучения, определения и выбора рациональных режимов работы струйной мельницы с плоской помольной камерой были проведены экспериментальные исследования. Результаты экспериментов были обработаны и представлены в виде уравнений регрессии. С целью более полного выяснения общей картины влияния интересующих нас входных параметров на выходные величины: средневзвешенный диаметр частиц d ср, производительность Q и удельные энергозатраты q произведен анализ уравнений (4.7; 4.8 и 4.9) в следующей последовательности: 1. При неизменных значениях всех значимых изучаемых факторов варь ируется значение одного из них и определяется соответствующая каждому значению фактора величина выходной величины; 2. Данные действия производятся для всех значимых изучаемых факторов поочерёдно; 3. По полученным результатам построены графические зависимости, по зволяющие осуществить более детальный анализ результатов эксперимента. На рис. 4.7- 4.30 изображены графические зависимости средневзвешенного диаметра частиц, производительности и удельной энергоёмкости от рассматриваемых факторов. Рассмотрим построенные графики. На рис. 4.7-4.14 представлены зависимости средневзвешенного диаметра частиц от: - размера входного прямоугольного сечения при фиксированной крупности исходного материала; - давления рабочего потока при фиксированном размере входного прямоугольного сечения; - высоты помольной камеры при фиксированном давлении рабочего потока; - крупности исходного материала при фиксированном размере входного сечения. Из приведенных графиков следует, что диаметр средневзвешенных частиц уменьшается с увеличением размеров входного прямоугольного сечения до определенной величины, с увеличением давления рабочего потока и крупности исходного материала, а так же с уменьшением высоты помольной камеры.
Причём максимальный размер материала, подаваемый на измельчение, составляет 5-7 мм. Поскольку в струйных мельницах реализуется принцип высокоскоростного самоизмельчения, то важным фактором, влияющим на процесс измельчения, является скорость потока.
В данной работе в разделе 4.1 нами было подробно рассмотрено влияние размеров входного сечения, давления рабочего потока и высоты помольной камеры на скорость потока. При этом необходимо принимать во внимание, что как показывают расчёты и экспериментальные данные, скорость частиц материала может достигать лишь 0,4-0,8 скорости потока [8]. Следует заметить, что одной только критической скорости недостаточно для эффективного измельчения. Необходимо ещё обеспечить частицам зону, в которой они ещё не успели заметно затормозиться. Поэтому, чем меньше объем помольной камеры, тем меньше происходит рассеивание скорости потока. При проведении эксперимента варьировалась высота помольной камеры, при этом её диаметр оставался постоянным - 320 мм. Тем самым мы фактически изменяем объём помольной камеры. На первом этапе исследований нами не учитывалось влияние крупности исходного материала на эффективность измельчения. На рис. 4.13 и 4.14 приведены зависимости средневзвешенного диаметра частиц от крупности исходного материала. Графические зависимости, изображенные на рис. 4.7.и 4.8, также позволяют проследить, какое влияние оказывает крупность исходного материала на размер частиц получаемого продукта. Из приведенных графиков следует, что с увеличением крупности исходного материала до размеров 5 мм уменьшается средневзвешенный диаметр частиц. Однако при применении исходного материала размером 5 мм требуется дополнительная энергия на измельчение, в тоже время использование материала размером 1-2 мм приводит к тому, что хуже протекает процесс измельчения. Это объясняется тем, что чем меньше размер частиц тем большую скорость она приобретает за один и тот же промежуток времени. Мелкие частицы будут догонять и, в случае столкновений, подталкивать более крупные. Соуда-рившиеся частицы теряют скорость, выносятся из области соударения и в дальнейших соударениях больше не участвуют. Поэтому, чем больше частиц меньшего размера, тем больший будет их унос из области измельчения. где т - масса частиц материала; V- скорость движения частиц. Исследуя зависимости, представленные на рис. 4.7- 4.14, можно сделать вывод, что при постоянных значениях давления рабочего потока, высоты помольной камеры и размеров входного сечения (Рраб = 0,2 МПа, Н = 60 мм, S=4X4MM) С изменением крупности исходного материала с 2 мм до 4 мм наблюдается снижение диаметра средневзвешенных частиц dcp с 0,12 мм до 0,045 мм. Размеры входного прямоугольного сечения на диаметр средневзвешенных частиц оказывают влияние следующим образом: при Н = 60 мм, dM = 4 мм, Рраб = 0,2 МПа с увеличением размеров сечения с 4x4 мм до 8x8 мм происходит увеличение dcp с 0,05 мм до 0,075 мм.
