Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние направления развития техники и технологии тонкого и сверхтонкого измельчения .
1.1 .Оборудование, применяемое для тонкого и сверхтонкого измельчения
1.2. Классификация струйных мельниц
1.2.1. Мельницы с плоской помольной камерой
1.2.2. Мельницы с вертикальной трубчатой помольной камерой
1.2.3. Мельницы с противоточной помольной камерой
1.3.Выбор рациональной конструкции струйной мельницы
1.4. Существующие методики расчета струйных противоточных мельниц
1.5.Цель и задачи исследований
1.6.Выводы
ГЛАВА 2. Разработка математической модели движения двухкомпонентной смеси в разгонном узле струйной противоточной мельницы .
2.1. Основные положения 41 42
2.2. Процесс движения двухкомпонентной смеси в разгонной трубке... 42 59
2.2.1. Дифференциальные уравнения, описывающие процесс изменения скорости частиц и энергоносителя, давления и плотности в разгонной трубке 42 49
2.2.2. Приближенное решение системы дифференциальных уравнений процесса движения двухкомпонентной смеси в разгонной трубке 49 54
2.2.3. Вывод уравнения движения энергоносителя в разгонной трубке без частиц 54 55
2.2.4. Анализ аэродинамических характеристик по длине разгонной трубки 55 59
2.3. Движение двухкомпонентной смеси в конфузоре устройства ДКПЭ 60 70
2.3.1. Динамика твердых частиц в конфузоре устройства ДКПЭ 61 64
2.3.2. Определение аэродинамических параметров при движении одной фазы 65 65
2.3.3. Характер изменения аэродинамических параметров по длине разгонного узла 65 70
2.4 Движение дополнительного энергоносителя по кольцевому каналу устройства ДКПЭ 70 73
2.5 Выводы 73 73
ГЛАВА 3. Методика проведения экспериментальных исследований
3.1. Основные положения экспериментальных исследований 74 77
3.2. Описание экспериментальной установки, применяемого оборудования и средств контроля 77 88
3.3. Характеристика исследуемого материала 88 91
3.4. План многофакторного эксперимента для определения эффективности процесса измельчения 91 94
3.5. Выводы 94 94
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования противоточной струйной мельницы, оснащенной ДКПЭ .
4.1. Исследование аэродинамических параметров разгонного узла противоточной струйной мельницы, оснащенной устройством ДКПЭ... 95 104
4.2. Исследование влияния основных параметров на эффективность процесса измельчения в струйной противоточной мельнице, оснащенной ДКПЭ 104 125
4.3. Выбор рационального режима процесса измельчения в струйной противоточной мельнице 125 130
4.4 Методика расчета противоточной струйной мельницы 130 134
4.5 Промышленное внедрение 134 136
4.6. Расчет экономической эффективности струйной противоточной мельницы 136 139
4.7. Выводы 139 140
Общие выводы 141 142
Список литературы 143 151
Приложения 152
- Существующие методики расчета струйных противоточных мельниц
- Приближенное решение системы дифференциальных уравнений процесса движения двухкомпонентной смеси в разгонной трубке
- Описание экспериментальной установки, применяемого оборудования и средств контроля
- Выбор рационального режима процесса измельчения в струйной противоточной мельнице
Существующие методики расчета струйных противоточных мельниц
На основании проведенного анализа существующих конструкций можно сделать некоторые выводы относительно конструкций струйных аппаратов, а также перспективы и направления дальнейшего их развития.
Любую из известных разновидностей струйных установок можно представить в виде схемы, набираемой из однотипных по назначению узлов. Это объясняется общностью назначения таких установок, а также подобием действующих в них основных физических законов и явлений.
Основными узлами струйной измельчительной установки является источники газового энергоносителя, непосредственно сама мельница и пылеулавливающая система. Авторами [32] была предложена следующая структурно-функциональная схема струйной измельчительной установки, показанная на рис. 1.13. Существует три основных блока, обеспечивающих успешное функционирование струйной измельчительной установки. Источник газового энергоносителя, состоящий из системы, предназначенной для сообщения рабочему телу энергии, используемой для совершения внутримельничных процессов, а также для дальнейшего преобразования ее в кинетическую энергию частиц измельчаемого материала. Мельница струйная измельчительной установки представляет совокупность устройств, предназначенных для преобразования энергии рабочего тела в работу по разрушению, а также классификации и перемещению потоков материала. Мельница состоит из следующих агрегатов: система подачи твердого материала, разгонные устройства, помольная камера, классифицирующие устройства, транспортные трубопроводы. Разгон образовавшейся смеси осуществляется непосредственно в системе ускоряющей твердые частицы. На наш взгляд одним из направлений повышения эффективности измельчения является максимальное повышение скорости материала на входе в помольную камеру. В помольной камере двухфазный поток должен осуществлять движение таким образом, чтобы материал подвергался максимальным динамическим нагрузкам [32,104-108,110]. Мельница, работающая в замкнутом цикле, обязательно должна быть снабжена классификатором. Работа классификационного устройства, используемого при струйном измельчении, основана на принципе разделения частиц по крупности путем воздействия на них в разных направлениях сил и потока газа, силы тяжести и центробежной силы [70-73,86-89]. Пылеулавливающая система является не менее важным по значению комплексом в струйной измельчительной установке. Она включает различного рода отделители и пылеулавливающие устройства, а также систему сброса отработавшего газа [61]. Взаимосвязь всех конструктивных элементов мельницы позволяет сформировать непрерывность потоков измельчаемого сырья и газового энергоносителя. Очевидно, что удельные затраты энергии при струйном измельчении зависят от режимов работы всех элементов мельницы, а также от технологичности и правильности конструкторской проработки каждого узла струйной измельчительной установки [18,37,45,112]. На основании анализа существующих типов конструктивного исполнения струйных мельниц и схем измельчения можно сделать вывод том, что повышение эффективности измельчения возможно за счет увеличения скорости потока материала на входе в помольную камеру. Для решения данной задачи нами была разработана принципиально новая конструкция струйной противоточной мельницы, оснащенной устройством дополнительного кольцевого подвода энергоносителя (в дальнейшем ДКПЭ), изображенная нарис. 1.14 [21]. Данный агрегат может использоваться в различных отраслях промышленности (лакокрасочной, химической, текстильной, керамической, пищевой, фармацевтической, сельскохозяйственной). Широкий спектр применения и высокие технико-экономические показатели, по сравнению с другими мельницами, делают их незаменимыми для производства тонко дисперсных порошков.
Противоточная струйная мельница, изображенная на рис. 8, содержит бункеры 1 исходного материала, в которые встроены осевые сопла 2 инжекторов для подачи основного энергоносителя, соединенные с основным воздуховодом 3, входящие в разгонные трубки 4, соосно введенные в противоточную помольную камеру 5. Коаксиально разгонным трубкам 4 расположены подпорные патрубки 6, со встроенными соплами 7 для подачи дополнительного энергоносителя. Внутренняя поверхность разгонных трубок и внешняя поверхность подпорных патрубков образуют канал, по которому подается дополнительный энергоноситель через воздуховод 8. При этом подпорные патрубки 6 на входе в противоточную помольную камеру 5 снабжены обжимными насадками 9, каждая из которых выполнена в виде усеченного конуса с кольцевым элементом на меньшем основании и с кольцевым элементом на большем основании для жесткого закрепления на подпорном патрубке 6. Внешняя поверхность кольцевого элемента на меньшем основании опирается по периметру на внутреннюю поверхность противоточной помольной камеры 5.
Устройство ДКПЭ, включающее подпорные патрубки 6 со встроенными соплами 7, соединенные с воздуховодами дополнительного энергоносителя 8, конусные насадки в виде конфузора, за счет обжатия основного потока материала дополнительным ускоряет его, создавая повышенную концентрацию в ограниченном объёме, что способствует повышению удельной поверхности и снижению удельных энергозатрат.
Работа предложенной конструкции осуществляется в следующем порядке. Увлекаемые потоком энергоносителя частицы исходного материала разгоняются вдоль разгонных трубок 4. В тоже время дополнительный энергоноситель поступает в патрубки 7, откуда попадает в канал 6 устройства ДКПЭ. На выходе из разгонной трубки материал попадает в конусную часть 9, где происходит его обжатие дополнительным энергоносителем и одновременно его ускорение, и выброс в помольную камеру 8. Измельчение происходит в результате взаимного соударения двух противоположно направленных друг на друга высокоскоростных потоков. После разрушения материал подается на цикл классификации.
Приближенное решение системы дифференциальных уравнений процесса движения двухкомпонентной смеси в разгонной трубке
В соответствии с поставленными задачами методика проведения экспериментальных исследований по измельчению отсева щебня в струйной противоточной мельнице включает в себя следующие вопросы: - разработка и изготовление экспериментальной установки для изучения аэродинамических параметров двухфазных потоков, влияющих на протекание процесса измельчения; - установление параметров, подвергающихся изменению и контролю при проведении экспериментальных исследований; - выбор критериев оценки конечных результатов процесса измельчения; - выбор плана проведения многофакторного эксперимента, установление уровней и интервалов варьирования исследуемых параметров процесса; - определение показателей качества получаемого продукта измельчения. Исследование протекания газодинамических процессов и их параметров в газопылевых потоках с содержанием твердой фазы до 10 - 15кг/м , взаимодействующих в ограниченном объеме, связано со значительными трудностями. Трудности, в первую очередь, обусловлены отсутствием надежных и безопасных методов и приборов контроля над двухфазными потоками. Как правило, в этом случае используют или изотопный или лазерный метод контроля. Однако оба этих метода связаны с повышенной опасностью для здоровья человека, значительной дороговизной и сложностью технической реализации. Поэтому в данной работе предлагается исследовать процессы, протекающие в струйной противоточной мельнице в два этапа. На первом этапе произвести измерения и оценку динамического, статического и полного давлений рабочего и смешанного потоков в корпусе мельницы, определить расход рабочего и дополнительного энергоносителя при работе мельницы с дополнительной подачей воздуха. Данные исследования следует произвести при различных комбинациях параметров, подвергаемых изменению. Исследования следует произвести при различных комбинациях параметров, подвергаемых изменению. Порядок проведения отображен на блок-схеме нарис. 3.1. На втором этапе необходимо произвести экспериментальные исследования по измельчению щебня, применяя метод наложения полученных на первом этапе данных при тех же комбинациях изменяемых параметров, с использованием критериев оценки результатов процесса измельчения. Порядок проведения лабораторных и экспериментальных исследований процесса измельчения щебня в струйной противоточной мельнице можно представить в виде алгоритма, представленного нарис. 3.2. Экспериментальное изучение процесса измельчения, например, щебня в струйной противоточной мельнице требует применения специального экспериментального оборудования, отвечающего следующим условиям: - экспериментальная установка для исследования процесса измельчения должна обеспечивать возможность изменения исследуемых параметров и режимов работы мельницы в заданных постановкой задачи пределах; - конструкция стенда, контрольно-измерительная аппаратура должна соответствовать исследованию изучаемого процесса и обеспечивать необходимую точность измерения. С учетом указанных требований, была разработана и изготовлена экспериментальная установка для определения аэродинамических параметров и исследования процесса измельчения щебня в противоточной струйной мельнице. Струйная измельчительная установка, как упоминалось выше, состоит из комплекса агрегатов: непосредственно самой противоточной струйной мельницы, сепаратора, циклона, системы рукавных фильтров и вентилятора. Общий вид установки представлен на рис. 3.3. На рис. 3.4. представлена схема экспериментальной установки. Описываемая экспериментальная установка питается от воздушного V-образного, четырехцилиндрового двухсекционного компрессора. От рессивера последнего идет две магистрали: первая (основная) - подает воздух в сопла противоточной струйной мельницы для инжекции материала, его ускорения в разгонных трубках; вторая (дополнительная) - подает воздух в гребенку, откуда сжатый воздух поступает в струйную мельницу в качестве дополнительного энергоносителя, который обжимает основной поток энергоносителя с материалом; в воздушный загрузочный питатель;
Описание экспериментальной установки, применяемого оборудования и средств контроля
Как видно из графиков, изображенных на рис. 4.2-4.3 и выборки результатов из таблицы 4.2 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 энергопотока по длине узла разгона. Так, например, нами была взята постоянная адиабаты для удельного газа К=1,4. А движение по разгонному узлу предполагает несколько иной показатель, который трудно определить при изменяющейся плотности газа и концентрации потока. Изменение характера движения потоков при слиянии в конфузоре довольно сложная задача, трудно поддающаяся описанию, а слияние потоков в реальном процессе является фактором, который отрицательно влияет на процесс разгона.
Трудность при проведении экспериментов заключается в создания такого аэродинамического режима работы разгонного узла струйной противоточной мельницы, который создавал бы минимальное аэродинамическое сопротивление. Все эти и другие факторы обуславливают расхождения между теоретическими и экспериментальными данными.
При давлении, подаваемом в сопло в эжекторный узел мельницы, 0,1 МПа происходит падение давления со 136 кПа до 120 кПа, причем давление падает несколько быстрее в конфузоре, чем в разгонной трубке. Максимальное расхождение между данными, экспериментальными и теоретическими составляет 12,6 %, что объясняется погрешностью измерения. В среднем расхождение при давлении энергоносителя под 0,1 МПа составляет 7% (рис. 4.3 (а)).
При давлении 0,2 МПа, которое подается в два противоположных сопла, повышается скорость истечения газа из последних, соответственно увеличивается и динамическое давление с 35 кПа до 47 кПа, что соответствует увеличению скорости с 173 до 200 м/с. Статическое давление понижается быстрее динамического, что влечет падение полного давления с 272 кПа до 250 кПа (рис. 4.3 (б)).
Давление 0,3 МПа позволяет достичь увеличения значения скорости истечения газа из сопла до 215 м/с, а с учетом движения энергоносителя по узлу разгона возрастание скорости достигает до 260 м/с. При этом падение давления происходит в интервале от 408 кПа до 382 кПа (рис. 4.4 (а)). Погрешность между теоретическими и экспериментальными данными составляет 11% (максимальное значение 13%). Следует отметить, что при повышении подаваемого давления в сопла возрастает и погрешность. Так при подаваемом давлении Рс=0,4 МПа (рис. 4.4 (б), табл. 4.2) погрешность максимальна и составляет 13%, что вызвано большими скоростями потоков и изменения характера движения потоков в конфузоре в реальном процессе, которые теория учитывает упрощенно. Однако, при всех полученных расхождениях можно сделать вывод, что наблюдается не только качественное подтверждение экспериментами теории, но и получение реальных аэродинамических характеристик по длине разгонного узла. Таким образом, полученная нами в главе 2 теоретическая модель движения двухкомпонентнои смеси по разгонному узлу подтверждена экспериментально и позволяет адекватно описать процесс разгона двухфазного потока. Полученные данные наиболее интересны для изучения процесса измельчения в помольной камере, т.к. становятся известны характеристики аэродинамического потока на входе в помольную камеру. После выбора типа модели и плана эксперимента, перед непосредственным проведением опытов, необходимо решить вопрос о значениях факторов, не включенных (на основе априорной информации) во входные, но оказывающих некоторое влияние на значения выходных параметров, о кратности опытов, порядке их проведения, о методах статистической обработки результатов экспериментов. К факторам, влияющим на выходные параметры, но не включенным во входные, относятся: гранулометрический состав исходного материала, его физико-механические свойства, влажность энергоносителя и аспирационный режим. Конкретные значения этих факторов при проведении эксперимента диктовались возможностью их осуществления в конкретных условиях. Содержание капельной влаги в рабочем энергоносителе (в сжатом воздухе подаваемого от компрессора), снижалась с помощью воздушного фильтра тонкой очистки, установленного на подводящем коллекторе. Для компенсации влияния систематических ошибок опыты проводились в случайной последовательности. В нашем случае, в связи со сложностью переоборудования экспериментальной установки и для сокращения времени проведения экспериментов, применялась частичная рандомизация опытов во времени. Рандомизация опытов в каждой серии проводилась раздельно. Последовательность опытов определялась с помощью оператора случайных чисел. Усредненные результаты лабораторных экспериментов на установке для изучения процесса измельчения приведены в таблице 4.3. На основании полученных результатов, с помощью разработанной программы для персональной ЭВМ (приложение 3) были рассчитаны коэффициенты уравнений регрессии и составлены уравнения, описывающие процесс измельчения и оценена их адекватность. Для удобства проведения дальнейших исследований необходимо величины кодированных значений входных факторов хь х2, х3 и х4 представить в виде размерных величин Рс, Рсд, F, и к.
Выбор рационального режима процесса измельчения в струйной противоточной мельнице
Процесс измельчения описывается полученными в разделе 4.2 уравнениями регрессии, которые позволяют оптимизировать этот процесс. То есть из всех возможных значений входных параметров выбрать те, при которых процесс измельчения протекает наиболее эффективно. Для решения задачи оптимизации процесса воспользуемся методом покоординатной оптимизации [55]. Исходными данными этой задачи являются уравнения регрессии Q=F(P0CH, РдОП, F, К), S= F(P0CH, Рдоп, F, К), q= F(P0CH, Рдоп, F, К), выступающие как функции цели, зависящие от четырех переменных (давление основного энергоносителя Росн, МПа; давление дополнительного энергоносителя Рдоп, МПа; площадь канала дополнительного подвода энергоносителя F, мм ; угол конусности конфузора К, град).
Сущность метода заключается в сведении поиска экстремума функции п переменных к одномерному поиску, т.е. к поиску функции с одной переменной. Согласно этому методу фиксируется п-1 переменных и изменяется п-ая переменная. Поиск ведется из начальной точка области О, методами одномерной оптимизации («золотого сечения», интерполяционными методами). После нахождения точки минимума (максимума) фиксируются остальные переменные, и меняется n-1-ая переменная, а затем ведется поиск минимума (максимума) функции методами одномерной оптимизации. Поиск продолжается до тех пор, пока бесконечно малые пробные шаги не вызывают уменьшения функции. Признаком окончательного поиска является тот случай, когда пробные шаги вокруг точки X бесконечно малого значения не приводят к уменьшению (увеличению) функции.
Поиск экстремумов осуществлялся по следующим требованиям: значения производительности и удельной поверхности должны стремится к максимуму, а величина удельной энергоёмкости к минимуму:
Тем самым изучалось влияние на значения выходных параметров на значения входных параметров. Для проведения расчетов было создано программное обеспечение (приложение 5), позволяющее определить экстремум функции и параметры, при которых данная функция удовлетворяет условиям (4.14). При нахождении максимума в уравнении регрессии производительности методом конечных разностей установлено, что экстремума функция достигает при давлении основного энергоносителя РОС11=0,3 МПа, давлении дополнительного энергоносителя РДОП=0,29 МПа, угол конусности конфузора К=13 , площади кольцевого канала F=292MM И составляет 7,33 кг/ч. Максимальная удельная поверхность (S=670 м2/кг) наблюдается при давлении основного энергоносителя Росн=0,3 МПа, давлении дополнительного энергоносителя Рдоп=0,31 МПа, угол конусности конфузора К=13 , площади кольцевого канала F=292MM . Удельные энергозатраты минимальны при давлении основного потока энергоносителя Росн=0,1 МПа, давлении дополнительного энергоносителя Рдоп=0,15 МПа, угол конусности конфузора К=13, площади кольцевого канала F=292MM И равны 0,8 кг/кг. Повышение давлений Росн до 0,3 МПа и Рдоп до 0,3 МПа приводит к незначительному повышению удельных энергозатрат, которые целесообразны, когда необходима высокая производительность. На рис. 4.17-4.20 изображены основные технико-экономические характеристики (производительность, удельная поверхность и удельные энергозатраты) струйной мельницы в зависимости от варьируемых параметров. Рис. 4.17 показывает изменение производительности, удельной поверхности и удельных энергозатрат от давления основного потока энергоносителя при фиксированных Рдоп=0,3 МПа, F=292 мм , К=13. Из графика видно, что при Росн=0,3 МПа производительность и удельная поверхность максимальны. Однако с увеличением давления основного энергоносителя удельные энергозатраты возрастают практически линейно с 1,05 кг/кг до 1,5 кг/кг. Изменение технико-экономических показателей от давления дополнительного энергоносителя представлено на рис. 4.18. Подаваемый дополнительный энергоноситель в значительной мере воздействует на удельную поверхность. Наиболее эффективно использование дополнительного энергоносителя РДоп=0,3 МПа совместно с давлением основного РОсн=0,3 МПа и угол конусности К=13 и F=292 мм . Удельные энергозатраты достигают минимума при Рдоп=0,2 МПа. Данный факт обусловлен повышением производительности при сравнительно низком расходе сжатого воздуха. Наиболее четкое выполнение требований (4.14) выполняется на рис. 4.17-4.20 именно при К=13 и площади кольцевого канала F=292 мм производительность и удельная поверхность максимальны, а удельные энергозатраты минимальны. Анализ графиков рис. 4.17-4.20 позволяет судить о более рациональных режимах эксплуатации струйной противоточнои мельницы оснащенной устройством ДКПЭ.