Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Измельчение дисперсных материалов в вихревых камерах 9
1.1. Способы повышения эффективности процесса измельчения в вихревых камерах 9
1.2. Устройства для получения акустических колебаний в газовой среде 32
1.3. Постановка задачи исследования 40
Глава 2. Аэродинамика вихревых камер 41
2.1. Предлагаемые конструкции вихревых камер 41
2.2. Использование энергии сжатого газа при измельчении в вихревых камерах 42
2.3. Движение частиц в вихревом потоке при наличии акустических колебаний 47
2.4. Определение поля скоростей закрученного потока в камерах с изменяемым радиусом кривизны при отсутствии и наличии акустических колебаний 52
2.5. Гидравлическое сопротивление вихревых камер 73
Глава 3. Экспериментальные исследования 75
3.1. Описание экспериментальной установки и методика проведения исследований 75
3.2. Исследование структуры закрученных потоков в камерах с изменяемым радиусом кривизны при отсутствии и наличии акустических колебаний 82
3.3. Исследование процесса измельчения в вихревых камерах 100
3.4. Определение акустических характеристик генератора звука
Глава 4. Практическое применение результатов работы 124
4.1. Методика расчета и выбор рациональных режимов и конструктивных параметров вихревых камер 124
4.2. Особенности проектирования вихревых камер с генератором акустических колебаний (звука) 127
4.3. Область применения и сравнительные данные по струйным и струйно-вихревым мельницам 128
Выводы 132
Литература 133
Приложение 143
- Устройства для получения акустических колебаний в газовой среде
- Движение частиц в вихревом потоке при наличии акустических колебаний
- Исследование структуры закрученных потоков в камерах с изменяемым радиусом кривизны при отсутствии и наличии акустических колебаний
- Методика расчета и выбор рациональных режимов и конструктивных параметров вихревых камер
Устройства для получения акустических колебаний в газовой среде
Измерение ркорости вблизи пластины на разных частотах показали, что толщина пограничного слоя не зависит от звукового давления в диапазоне 155-165 дБ, зато скорость самого потока возрастает.
Воздействие акустических колебаний на взвешенные частицы в газе используется при коагуляции пыли и аэрозолей в низкоскоростных газовых потоках. В высокоскоростных потоках влияние акустических волн на частицы будет незначительным, так как колебательная скорость частиц в среде при воздействии акустических колебаний меньше поступательной скорости потока (максимальное значение колебательной скорости частиц в воздухе не более 9 см/с [46]). Реально на частицы могут действовать только ударные волны, когда скорость потока может превосходить скорость звука. Так, в работе [47] предлагается механизм диспергирующего действия акустических колебаний, когда акустическая волна пронизывает диспергируемую частицу и вызывает в различных ее точках различные ускорения, что приводит к возникновению силы, стремящейся разрушить частицу. Подобное объяснение подходит к описанию работы вихревой мельницы, представленных в работах [25, 48]. В аппаратах в энергонасыщенном слое создаются мощные акустические и пульсационные возмущения параметров потока. Возникающие при этом в материале квазистатические и касательные напряжения приводят к усталостному и объемному разрушению частицы. Математическое описание подобного процесса разрушения можно найти в монографии [49].
Акустические колебания малой мощности (менее 160 дБ), созданные в помольной камере, также способствуют повышению эффективности процесса измельчения [15]. Такие исследования были проведены по измельчению нитрата бора [21]. Однако, в этих работах механизм воздействия акустических колебаний на двухфазные вихревые потоки рассмотрен в рамках научного предположения. В [15] повышение эффективности процесса измельчения в вихревой камере при воздействии акустических колебаний объясняется следующим образом. В процессе ударов на поверхности частицы происходит накопление повреждений. При отсутствии акустического поля они способны "залечиваться", а звук препятствует этому процессу. В [21] эффективность процесса измельчения зависит от пристенной скорости двухфазного потока.
Под акустическими колебаниями в физике понимают механические возвратно-поступательные движения частиц упругой среды, волнообразно распространяющихся от генератора колебаний. Процесс распространения колебаний в пространстве называют волной. В газовой среде, не обладающей сдвиговой вязкостью, распространяются только продольные волны, в которых направление колебательного движения частиц совпадает с направлением ее распространения. При этом в среде последовательно возникают области сжатия и разряжения (рис. 18).
В зависимости от частоты колебания, упругие волны делятся на инфразвук (менее 16 Гц), звук (16 - 20000 Гц), ультразвук (20000 - 108) и гиперзвук (свыше 108). Ощутимое воздействие на обрабатываемую среду могут оказывать волны лишь в звуковом и ультразвуковом диапазоне. Причем звуковые волны могут воздействовать только на жидкие и газообразные среды, распространяясь в них в виде упругих колебаний; ультразвуковые волны могут воздействовать не только на жидкости и газы, но и на твердые вещества, вызывая в них переменные упругие напряжения, которые возбуждают колебательные движения дислокаций [50]. Ультразвуковые волны, по своей природе не отличаются от упругих волн слышимого диапазона, поэтому в дальнейшем значение слова "звуковые" будет распространяться и на этот диапазон частот.
Интенсивность воздействия акустических колебаний на среду зависит от амплитуды звукового давления ро, которая является разностью, между мгновенным значением давления в точке среды при прохождении через нее акустической воляырам и статического давлениярст. в той же точке
В газообразной среде создание акустической мощности, достаточной для интенсификации технологических процессов, возможно лишь при достижении больших значений амплитуды смещения акустических колебаний. Это свойство газов ограничивает применение магнитострикционных и пьезоэлектрических преобразователей. Наиболее простыми и экономичными излучателями, предназначенными для работы в газообразной среде, являются разного рода аэродинамические системы, в которых источником акустической энергии является газовая струя (табл. 1). Известны два типа излучателей звука, использующих газовую струю как источник акустических колебаний — это динамические (вращающиеся) и статические (свистковые) сирены [46,51].
Динамические сирены охватывают широкий диапазон частот колебаний и плавно перекрывают его, имеют высокий коэффициент преобразования энергии сжатого газа в энергию акустических колебаний при практически неограниченной излучаемой акустической мощности.
Динамическая звуковая сирена состоит из статора (корпуса) с отверстиями, расположенными по окружности, и вращающегося ротора с зубцами в виде перфорированного диска или цилиндра. В статор от компрессора подается сжатый газ. При вращении ротора, отверстия в нем периодически перекрывают поток сжатого газа, выходящего из отверстий статора, и создают пульсации давления воздуха, приводящие газовую среду в колебательное движение.
Известны две разновидности конструкций динамических сирен -аксиальные (рис. 19, а) и радиальные (рис. 19, б). Аксиальные сирены применяются при небольших габаритах, радиальные сирены - при значительных габаритах.
Движение частиц в вихревом потоке при наличии акустических колебаний
Крупные частицы pi, диаметром более 1 мм, движутся по многоугольной траектория, претерпевая касательное соударения со стенкой [5] (рис. 27, линия 2). Основную роль в движении частиц оказывает начальный импульс входящей газовой струи. Струя разгоняет частицу и поддерживает максимально возможную скорость ее движения. При упругом ударе часть накопленной кинетической энергии частицы тратится на нагрев материала, упругую и пластическую деформацию, дефектообразование в материале и т.д, а часть возвращается частице. При касательном столкновении такая частица отражается от стенки под углом, превьппающим угол падения. Количество столкновений, приходящихся на одно деление, определяется скоростью подлета частицы к стенке и при изменении ее в диапазоне 10-30 м/с уменьшается от десяти-пятнадцати ударов до одного-двух. Подобные столкновения приводят к образовали» частице напряжений, достаточных для реализации процесса измельчения и появлению частиц р2.
Размер частицы р2 составляет менее 1 мм. Она теряет значительную часть энергии первоначального импульса, и движется в пределах пограничного слоя. В этом случае на частицу начинают действовать силы, рассмотренные в уравнении (19) (рис. 28). В результате деления частицы pi, образовавшиеся частицы р2 будут лишены необходимой для отскока энергией. Основная масса таких частиц перекатывается под действием опрокидывающего момента (рис. 27, линия 4) (активному вращению частиц способствует сила трения), приобретая угловую скорость СО, вследствие чего к силам действующим на частицу р2 (аэродинамической и центробежной), прибавляется сила Магнуса (рис. 27, линия 3) [76, 81]. Под влиянием силы Магнуса частица движется вверх (рис. 28, суммарный вектор І 2Е) ДО тех пор пока вращается, а затем падает под влиянием центробежной силы (Fix) на стенку вихревой камеры. Траектория движения частицы р2 показана на рис. 27, линия 3. Сила удара частицы р2 ниже чем у частицы pi, поэтому количество столкновений со стенкой для ее разрушения требуется значительно больше.
Необходимо отметить, что в пограничном слое градиент скорости достигает больших значений, поэтому скорость движения частицы по поверхности стенки будет зависеть от ее размеров. Чем мельче частица, тем большая длина пробега 1Щ ей требуется для вовлечения в интенсивное взаимодействие со стенкой. Набор скорости, требуемой для разрушения частицы р2, будет происходить многоэтапно в результате касательных столкновений и вращений, пока длина пробега /щ, не станет равна нулю.
На частицу, взвешенную в газовой среде под действием акустических колебаний, действуют следующие силы: сила радиационного дрейфа, обусловленная действием радиационного давления; сила дрейфа, обусловленная периодическим изменением вязкости среды; сила, обусловленная разностью плотностей частицы и несущей среды.
Сила радиационного дрейфа для бегущей волны, обусловленная действием радиационного давления определяется по формуле [46] kg - степень обтекания частицы. Сила дрейфа обусловленная периодическим изменением вязкости среды для бегущей волны [46, 79, 80] V- - В результате сравнения сил, действующих на частицы измельчаемого материала в газовой среде, определено, что основные силы действующие в вихревом потоке (сила аэродинамического сопротивления, центробежная сила и сила Магнуса), будут как минимум на пять порядков больше сил, обусловленных воздействием акустических колебаний, даже при высоких значениях интенсивности акустического воздействия (свыше 150 дБ). Это исключает реальное влияние колебаний в вихревом потоке на частицы размером больше 50 мкм. Однако более мелкие частицы, которые движутся в некотором удалении от стенки, могут вовлекаться в колебательное движение высокоскоростного потока и образовывать в местах разряжения скопление частиц [46]. Численные значения сил, действующих на частицы разного диаметра, в акустическом поле представлены на рис. 29. При построении графиков, в качестве o «tea для проведения расчетов, использовалась шарообразная частица угольной пыли с плотностью 1200 кг/м3, на которую действует плоская бегущая волна с уровнем интенсивности ПО дБ и частотой 5,1 кГц. Из графиков следует, что интенсивному влиянию звука в неподвижной среде подвержены частицы диаметром свыше 0,2-0,4 мм. Для вихревых потоков, частицы с таким размером будут двигаться не во взвешенном состоянии, а совершая скачкообразное движение по поверхности вихревой камеры. Силы, которые действуют при этом на частицу, будут во много раз превосходить силы, обусловленные воздействием акустических колебаний. Тем самым исключается сама возможность воздействия акустического поля на относительно большие частицы в вихревой камере (более 0,5 мм), двигающиеся по сложной траектории. Однако очень частицы менее 0,01 мм, которые двигаются в некотором удалении от стенки, могут вовлекаться в колебательное движение высокоскоростного потока под действием волн сжатия и разряжения.
Следовательно, реального влияния на крупные частицы в вихревом потоке звуковое поле оказывать не будет. Остается предположить, что акустические волны воздействуют только на характеристики закрученного потока: расширение, скорость движения по поверхности стенки и давления на стенку.
Исследование структуры закрученных потоков в камерах с изменяемым радиусом кривизны при отсутствии и наличии акустических колебаний
При проведении экспериментов газодувка обеспечивала расход воздуха до 24 м3/ч при давлении до 0,01 МПа. Расход воздуха, подаваемого в камеру, регулируется с помощью трансформатора 6, а контроль осуществлялся с помощью наклонного напоромера 5 по изменению перепада давления на диафрагме 4. Тарировка диафрагмы в зависимости от показаний напоромера осуществлялась с помощью газового счетчика.
При исследовании аэродинамики струйно-вихревых камер основной интерес ігоедставляли измерение тангенциальной скорости газового потока по сечению вихревой камеры и определение ее сопротивления. Измерение тангенциальной скорости потока осуществлялось с помощью Т-образного приемника 8 с размером трубок 1,2x0,8 мм, которые пшроко применяются при исследовании газовых потоков малых скоростей при небольших углах скоса основного потока (не более 15) [94]. Перед началом опытов Т-образный приемник был проградуирован при известном коэффициенте поля трубы в месте расположения. Скорость в сечении трубы определялась по формуле что соответствовало определенному перепаду давления U-образного дифманометра 7-1. Место расположения измерительных точек установки Т-образного приемника, в вихревой камере диаметром 120 мм показано на рис. 40. Подобным образом, расположены измерительные точки в вихревой камере диаметром 80 и 160 мм, с одной лишь разницей, что количество их по длине различно.
Гидравлическое сопротивление вихревой камеры определялось с помощью U-образного диффманометра 7-6 с длинной трубок = 1 м. Точки отбора давления находились на корпусе модели вихревой камеры у сопла и выходного отверстия.
Измерение звукового давления производилось с помощью шумомера ВШВ-003-М2. Данный шумомер отличается от обычных измерителей звукового давления наличием дополнительных фильтров, каждый из которых соответствует своей частотной характеристике. Принцип действия прибора основац на преобразовании акустических колебаний в пропорциональный им электрические сигналы, которые затем фиксировались измерительным прибором. Шумомер обеспечивал измерение уровня звукового давления в диапазоне частот от 2 Гц до 18 кГц. Опыты по измерению акустического давления проводились по методике, указанной в литературе [95]. Датчик 11 шумомера 10 устанавливался в непосредственной близости от источника шума (вихревой камеры 1), после чего фиксировался уровень интенсивности звука в зависимости от расхода воздуха, подаваемого в вихревую камеру.
Измерение частоты колебаний резонирующей камеры производилось с помощью компьютера 12 класса Pentium 166 ММХ со звуковой картой ESS 1868 и микрофоном 13. Полученные звуковые файлы в формате .wav обрабатывались с помощью встроенного в аудиоредактор Cool Edit 2000 [96] частотного анализатора. Методика проведения эксперимента изложена в литературе [95]. Она заключалась в следующем: микрофон устанавливался на расстоянии 1 м от источника звука; побочные источники шума звукоизолировались; производилась запись звука на жесткий диск компьютера и его последующая обработка.
Второй этап исследований, посвященный изучению характера движения твердых частиц в вихревой камере, производился на экспериментальной установке описанной выше. Для улавливания твердых частиц на выходе экспериментальной модели устанавливался тканевый фильтр. Критерием оценки характера движения частиц стали графитовые оттиски, которые получаются в результате обкатки красящегося материала по боковой поверхности вихревой камеры. В качестве красящего материала использовался графитовый порошок малой плотности с размером частиц от 500 мкм и мельче. Сами оттиски получались следующим образом: на внутреннюю торцевую поверхность камеры накладывался лист белой бумаги; внутрь камеры засыпалась навеска графитового порошка, а сама камера герметизировалась. После подготовительной операции в вихревую камеру подавалось необходимое количество воздуха и материал, захваченный пристенным потоком, обкатывался в ней в течении 1-ой минуты. Оттиск извлекался и операция повторялась снова. Опыты проводился от 3 до 5 раз, до получения однородности результатов.
На третьем этапе было произведено исследование процесса измельчения в СВМгз. В основу эксперимента было положено выяснение эффективности использования акустических колебаний в процессе измельчения. Критерием эффективности процесса измельчения стало сравнение результатов измельчения в аппарате СВМгз и подобного ему, но без источника акустических колебаний СВМ. Конструкция СВМгз представлена на рис. 41. Она представляет собой тороидальную вихревую камеру с совмещенной подачей энергоносителя (воздуха) и измельчаемого материала. Воздух питания с взвешенными в нем частицами направляется через тангенциальный патрубок 6 во внутреннюю часть корпуса 1. Двигаясь вниз по корпусу газовзвесь, в виде веерной струи, через сопловую щель попадает в тороидальную вихревую камеру, где приобретает поперечную крутку. Круговое сопло образовано нижней частью корпуса 1 и конической частью оси 3. Общий угол между деталями 1 и 3 составляет около 15. Часть пристенного потока, выходящего из щели, попадая в резонирующую полость, начинает совершать колебательные движения. Колеблющийся пристенный поток с частицами совершает круговое движение. В процессе такого движения частицы материала измельчаются и с отходящим воздухом по выходному каналу выводятся из аппарата. Регулирование величины зазора входной щели и правильность установки клина резонирующей полости относительно сопла осуществляется за счет регулирующих прокладок 6. Правильность установки клина относительно сопла определяется визуально при снятии крышки 2 и детали 5. Мельница СВМ имеет аналогичную конструкцию, только без резонатора звука (рис. 42).
Методика расчета и выбор рациональных режимов и конструктивных параметров вихревых камер
Градация цвета по радиусу вихревой камеры, как следствие ударов частиц графитового порошка по торцевой стенке, позволяет оценить степень взаимодействие частиц друг с другом и со стенкой вихревой камеры. На основании этого можно заключить следующее: основное взаимодействие частиц всех размеров происходит в пограничном слое. Только мелкие частицы, размер которых соизмерим с толщиной пограничного слоя, не испытьтают сильных ударных нагрузок при столкновении со стенкой. Такое движение частиц вызвано низкой скоростью потока в пристеночной области, скорость в которой по мере приближения к стенке стремится к нулю. Попавшим в эту область частицам, требуется время чтобы набрать необходимую угловую скорость и оторваться от стенки. Следовательно, некоторое количество частиц будет выведено из активного процесса измельчения.
Введение в вихревую камеру цилиндрической вставки существенно не повлияло на характер движения частиц. Крупные частицы, запертые вг криволинейном канале, стали совершать скачкообразные движения в рамках его высоты.
Воздействие акустических колебаний на вихревой поток проиллюстрировано на примере оттиска камеры 120 мм с резонирующей полостью 10 мм (рис. 65). Отличие в оттисках от вихревого потока без воздействия акустических колебаний (рис. 64) наблюдается в появлении на начальном участке развития струйного течения импульсов давления (зон сжатия и разряжения). Периодическое изменение давления в струйном потоке происходит в результате выхода из сопла плоской струи. Выходя из сопла, она направляется на край резонатора, повышая на нем давление. Это приводит к отклонению струи за пределы резонатора и появлению в окружающем пространстве импульса давления. Опорожнение резонатора возвращает струю в первоначальное положение и цикл повторяется. Очевидно, что расстояние между импульсами давления будет определяться длиной внутренней поверхности резонатора (її-dt), которую огибает струя. Мелкие частицы концентрируются в зоне разряжения, оставляют след, который и виден. При уменьшении частоты колебаний видимые импульсы давления на оттисках становятся реже или вообще исчезают. Это происходит из-за того, что длина внутренней поверхности резонирующей полости больше длины начального участка, где существует "облако" взвешенных частиц.
Распространение зон разряжения и сжатия по ходу потока не бесконечно. Из практики известно [38], что подобная структура струи при воздействии акустических колебаний может возникать только вблизи сопла на фиксированном расстоянии. Для вихревых камер диаметром 80, 120 и 160 мм это расстояние приблизительно равно 100 мм.
Общая картина движения частиц в вихревых камерах на основе графитовых оттисков представлена на рис. 66, а. Частицы материала, попадая в вихревую камеру, при расширении входящей струи образуют след в виде пылевого облака I, который стабилен на начальном участке истечения струи. В дальнейшем частицы за счет центробежных сил относятся на периферию вихревой камеры и образуют плотный след II на стенке. Двигаясь по криволинейной поверхности вихревой камеры, частицы достигают кромки схода пристенного потока и образуют два веерных следа III и IV. Основной след III указывает на то, как Частицы возвращаются на повторный цикл измельчения. Меньший след IV появляется, как результат отвода мелких частиц из пограничного слоя. Анализ следов III и IV показал, что углы разбега частиц а и /?« 15 не зависят От скорости сходящего потока в пределах 30V70 м/с. Угол меняется в зависимости от частоты акустических колебаний с 25 до 40 (рис. 65), для обычных вихревых камер угол у не превышает значения 20 (рис. 64). Подобная разница возникает за счет уменьшения толщины пограничного слоя. Остающиеся в нем частицы, обладают низкой кинетической энергией, что ведет к росту угла у. А сходящая с кромки боковой поверхности вихревой камеры полуограниченная струя захватывает большее количество частиц, образующих основной след.
При изучении оттисков обкатки графитового порошка с размером частиц менее 100 мкм результат оставался тем же, сходящий поток делился на два следа, хотя все частицы можно считать мелкими. Таким образом, из помольной камеры удаляются только те частицы, которые находятся в пограничном слое и обладают скоростью приблизительно равной скорости уноса. Однако этот вывод не согласуется с опытами, в которых измерялось время пребывания материала в вихревых камерах разного диаметра, с однотипной конструкцией (рис. 66, б). Материал в камере с диаметром 80 мм задерживается заметно дольше, чем в камерах с диаметром 120 и 160 мм при одинаковой скорости схода потока. Оказывается, на улавливающую способность вихревой камер влияет угловая рециркуляционная зона. Образующиеся в ней обратные вихри способствуют торможению частиц в основном следе и как следствие преждевременный их унос. Чтобы описать процесс выноса частиц из рабочей камеры, воспользуемся данными по аэродинамике вихревой камеры и в частности выходного отверстия. Профили скоростей на выходе из камеры (рис. 67) позволяют сделать предположение, что в камерах большого диаметра унос частиц происходит при повороте сходящего потока во всем объеме рециркуляционной зоны (рис. 67, а). Уменьшение рециркуляционной зоны ведет к изменению распределения скорости потока на выходе и к более резкому повороту отходящего газа. В вихревых камерах диаметром свыше 80 мм для повышения улавливающей способности аппарата в целом необходимо изменить профиль боковой поверхности вихревой камеры в рециркуляционной зоне.
