Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние исследований эффектов перемешивания и разделения частиц в сдвиговых потоках неоднородных зернистых материалов 9
1.1 Режимы сдвиговых течений сыпучих материалов и методы их исследования 9
1.2 Эффекты взаимодействия частиц в сдвиговых потоках зернистых сред и их математическое описание 22
Выводы по главе 1 37
Постановка задачи исследования 38
2 Исследование динамики сдвигового течения зернистой среды в режиме пластических деформациий 39
2.1 Экспериментальная установка и методика исследования сдвиговых течений 39
2.2. Результаты исследования динамики сдвигового течения зернистой среды в режиме пластических деформаций 48
Выводы по главе 2 52
3. Процесс перемешивания сыпучего материала при сдвиговом течении зернистой среды 53
3.1 Кинетика процесса перемешивания при сдвиговом течении зернистой среды в режиме пластических деформаций 53
3.2 Моделирование процесса перемешивания зернистого материала при сдвиговом течении в режиме пластических деформаций 57
Выводы по главе 3 63
4 Сегрегация сыпучего материала при сдвиговом течении зернистой среды 64
4.1 Кинетика процесса сегрегации при сдвиговом течении зернистой среды в режиме пластических деформаций 64
4.2 Метод определения коэффициента сегрегации и моделирование динамики распределения неоднородных частиц при сдвиговом течении зернистой среды 70
4.3 Практическая реализация результатов работы 85
Выводы по главе 4 87
Выводы по работе 88
Список используемой литературы
- Эффекты взаимодействия частиц в сдвиговых потоках зернистых сред и их математическое описание
- Результаты исследования динамики сдвигового течения зернистой среды в режиме пластических деформаций
- Моделирование процесса перемешивания зернистого материала при сдвиговом течении в режиме пластических деформаций
- Метод определения коэффициента сегрегации и моделирование динамики распределения неоднородных частиц при сдвиговом течении зернистой среды
Введение к работе
Ежегодно мировая промышленность производит и перерабатывает
миллиарды тонн сыпучих материалов, которые, в большинстве случаев, являются реально неоднородными дисперсными средами. Вследствие спонтанного проявления эффектов взаимодействия неоднородных частиц это обстоятельство становится причиной многих технологических проблем при организации процессов дозирования, смешения, формования, сушки, термообработки и др. процессов, препятствует достижению требуемых показателей качества продукции и приводит к большим экономическим потерям.
Одними из основных эффектов взаимодействия, которые могут оказывать существенное влияние как на кинетику технологических процессов и природных явлений, так и на динамику течения сыпучих материалов и качество продукта, являются эффекты перемешивания и сегрегации неоднородных частиц.
Во многих случаях адекватное описание кинетики процессов и динамики течений зернистых сред невозможно без адекватного прогнозирования эффектов сегрегации. Однако, несмотря на то, что эффекты сегрегации известны с давних времен, и, более того, не одну сотню лет используются человеком в хозяйственной деятельности, процесс их научного познания находится только в самой начальной стадии и во многих случаях трудно даже прогнозировать направление сегрегации.
Такая ситуация является следствием сложности и многообразия физических механизмов сегрегации и форм взаимного их сопряжения, которые затрудняют разработку теоретических основ процесса. В связи с этим большое значение приобретает изучение эффектов взаимодействия частиц для наиболее общих и значимых форм их взаимных перемещений. Исследования, проведенные ранее на кафедре ТО и ПТ ТГТУ, во многом прояснили представление о кинетике и движущих силах процесса сегрегации в быстрых гравитационных потоках зернистых материалов.
В диссертационной работе проведено исследование, направленное на разработку теоретических основ процессов перемешивания и сегрегации при сдвиговых пластических деформациях зернистой среды, как одной из наиболее общих форм ее движения.
Работа выполнена в соответствии с единым заказ-нарядом Министерства образования РФ МНТП (шифр П.Т. 465, П.Т. 419) и включена в Государственную программу «Научные исследования высшей школы в области производственных технологий» по разделу «Высокие технологии межотраслевого применения».
Работа изложена на 99 страницах основного текста, состоит из введения, четырех глав, выводов и приложений, содержит 1 таблицу и 38 рисунков. Рисунки и формулы пронумерованы по главам. Список цитируемой литературы включает 102 наименования работ отечественных и зарубежных авторов.
В первой главе проведен анализ работ, посвященных рассмотрению сдвиговых течений зернистой среды как объекта исследования. Рассмотрены методы моделирования сдвиговых течений зернистых материалов, а также методики исследования и экспериментальная техника, используемые для исследования сдвиговых течений зернистой среды в режиме пластических деформаций.
Существующие методика исследования и экспериментальная техника не позволяют получить удобные для анализа экспериментальные данные, необходимые для микроструктурного анализа эффектов взаимодействия частиц при сдвиге. Перспективной является конструкция сдвиговой ячейка, в которой обеспечиваются условия взаимодействия частиц в режиме длительного скользящего контакта друг с другом в широком диапазоне скорости сдвига.
Проанализированы известные модели процессов перемешивания и сегрегации применительно к двум режимам течения зернистых сред: быстрый и «медленный» сдвиг. Проведенный анализ существующих моделей с точки зрения их применения для описания эффектов перемешивания и сегрегации
7 при сдвиговом течении зернистых сред в режиме пластических деформаций показал, что в настоящее время не существует адекватной и универсальной модели механизма взаимодействия частиц, различающихся по комплексу физико-механических свойств.
Во второй главе диссертационной работы разработаны экспериментальная установка (сдвиговая ячейка) для исследования эффектов взаимодействия частиц в режиме сдвиговых пластических деформаций зернистых сред.
Предложена методика экспериментального исследования эффектов взаимодействия частиц зернистого материала при сдвиговом течении в режиме пластических деформаций.
Проведено исследование характеристик сдвигового потока частиц в сдвиговой ячейке в режиме сдвиговых пластических деформаций зернистых материалов. Полученные экспериментальные данные по течению зернистого материала свидетельствуют о наличии достаточно обширной области двухмерного сдвигового потока, пригодной для исследования эффектов взаимодействия частиц, и существенной взаимосвязи между локальными значениями порозности и скоростью сдвига.
В третьей главе разработана модель кинетики процесса перемешивания при сдвиговом течении зернистой среды в режиме пластических деформаций. Предложена расчетная зависимость для прогнозирования коэффициента квазидиффузионного перемешивания частиц при сдвиговом течении зернистой среды в режиме пластических деформаций в зависимости от размера частиц и характеристик течения.
Проведено исследование динамики процесса перемешивания частиц при сдвиговой пластической деформации зернистых материалов методами физического и математического моделирования. Установлена адекватность расчетной зависимости для определения коэффициента перемешивания.
В четвертой главе предложено новое уравнение кинетики сегрегации при сдвиговой деформации зернистой среды, позволяющее проводить анализ кинетических характеристик процесса на базе общекинетических закономер-
8 ностей процессов химической технологии. Установлена возможность использования математического описания процесса сегрегации частиц на базе механизма сдвигового поточного разделения.
Разработаны методы прогнозирования кинетических характеристик -коэффициента сегрегации и движущей силы процесса сегрегации.
Проведено моделирование динамики процесса сегрегации частиц при сдвиговом течении зернистой среды в режиме пластических деформаций. Установлена адекватность предложенной математической модели путем сравнения результатов моделирования с экспериментальными данными.
Выводы по результатам исследований завершают основное содержание работы. В приложении приводятся листинги программ, которые использованы в работе, таблицы экспериментальных данных, а также справки о внедрении результатов исследований.
АВТОР ЗАЩИЩАЕТ:
Устройство (сдвиговую ячейку) для исследования эффектов взаимодействия частиц в режиме сдвиговых пластических деформаций зернистых сред.
Метод прогнозирования коэффициента квазидиффузионного перемешивания частиц при сдвиговом течении дисперсного материала.
Уравнение кинетики и метод определения кинетического коэффициента сегрегации при сдвиговом течении зернистой среды в режиме пластических деформаций.
Результаты диссертационной работы доложены на IX и X научных конференциях , проведенных в Тамбовском государственном техническом университете в 2003-2004 годах, XVIII международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», а также Всероссийской студенческой научно-технической конференции (Казань, 2005 г.).
По результатам диссертации опубликовано 8 работ [95-102].
Работа выполнена на кафедре «Технологическое оборудование и пищевые технологии» Технологического института Тамбовского государственного технического университета.
Эффекты взаимодействия частиц в сдвиговых потоках зернистых сред и их математическое описание
Сдвиговые течения зернистых материалов сопровождаются значительными эффектами взаимодействия частиц (поперечный массоперенос, перемешивание и сегрегация), которые наблюдаются при камнепадах, селях, подводных течениях камней, образовании насыпей, обвалов, заполнении бункеров, при течении в каналах, течках, вращающихся трубах, барабанах, перемещении рабочих органов машин и т.д.
Перемешивание, как технологическая операция, используется для интенсификации тепломассообменных процессов и организации процесса смешения. Технологической целью процесса смешения является получение смеси с равномерным распределением каждого компонента в любом участке объема. Для интенсивного смешения компонентам надо сообщить такие движения, чтобы их траектории имели возможно большее число пересечений и встречных движений. При этом движение микрообъемов и частиц могут быть поступательными, вращательными и совмещенными.
В процессе сегрегации происходит увеличение неоднородности смесей вследствие отделения и концентрирования частиц, сходных между собой по какому-либо признаку, в определенном объеме потока. Практически каждый технологический процесс переработки сыпучего материала или связанные с ним вспомогательные операции создают условия, благоприятные для протекания сегрегации. Сегрегация может оказывать существенное влияние на динамику течения зернистых сред, кинетику технологических процессов и качество продукта и поэтому интерес к изучению процессов сегрегации в последние годы заметно повысился [17, 20-25, 27-32, 36-39, 44, 47-49, 53, 59-62,65,66,69-81,85,86,88-91].
В соответствии с тем, что в механике зернистых сред известно два режима течения сыпучих материалов с существенно различными механизмами взаимодействия частиц, в настоящем разделе рассмотрено математическое описание эффектов перемешивания и сегрегации применительно к этим режимам. Следует отметить, что при математическом описании быстрых сдвиговых потоков зернистых сред накоплен значительный опыт и получены достаточно значимые результаты [57, 58, 67, 69].
В связи со сложностью и многообразием механизмов сегрегации [21] детерминированное математическое описание этого процесса чрезвычайно затруднено. Практически ни один из механизмов, за исключением, пожалуй, механизма проницания [18, 27], не доведен до математического описания. Однако механизм проницания не позволяет прогнозировать процесс сегрегации в подавляющем большинстве практически важных случаев [36]. По этой причине для описания сегрегации в зернистых средах широко используются аппараты математической статистики и теории вероятностей.
Так, в работе [24] классификация рассмотрена как стохастический процесс, протекающий в зоне сегрегации при прохождении через нее полидисперсной смеси частиц. На основе стохастической модели процесса получены формулы, характеризующие зависимость распределений частиц выделенных фракций от параметров распределения частиц исходной смеси и от параметров нечетных табличных функций нормального закона распределения случайных величин.
Показано, что граничный размер частиц, который должен задаваться детерминированными параметрами потока, соответствует решению функций нормированных плотностей распределения частиц.
В работе [25] развита имитационная динамическая модель процесса сепарации в виброкипящем слое. Модель базируется на дифференциальном уравнении стохастического процесса Фоккера - Планка, которое учитывает влияние сноса и диффузии частиц на их сегрегацию в слое. Рабочий объем рассмотрен как совокупность локальных зон сепарации. Элементарные процессы смоделированы как переходы частиц из одной локальной зоны в другую. Интенсивность и направление сегрегации задаются путем ранжирования частиц, т.е. каждой частице присваивается свой ранг, согласно
которому происходит ее перемещение между локальными зонами. В результате решения имитационной динамической модели на ЭВМ получают функции распределения параметров процесса по локальным зонам сепарации.
В более ранних работах [27, 33] предложены, по существу, аналогичные приемы моделирования процесса смешения (сегрегации) сыпучего материала на скате и в поперечном сечении гладкого вращающегося барабана. В соответствии с разработанным принципом, засыпку циркулирующего в барабане материала разделяют на подслои с определенным количеством элементарных объемов в каждом подслое. При этом полагают, что за один цикл вращения частицы вокруг центра циркуляции она может перейти только в близлежащий элементарный объем одного из соседних подслоев. Состояние системы (распределение целевого компонента в засыпке) оценивается как вероятность нахождения ключевого компонента в элементарном объеме после каждого возможного перехода с использованием вектора состояния.
Результаты исследования динамики сдвигового течения зернистой среды в режиме пластических деформаций
Исследования динамики течения зернистой среды проведены при различных скоростях ленты ол и углах наклона желоба к горизонту а. В качестве модельного материала использовали керамические гранулы. При этом один из указанных параметров фиксировался, а другой изменялся в определенном интервале. Наиболее интенсивные сдвиговые деформации в слое зернистого материала, охватывающие наибольший объем слоя, наблюдались при скорости движения ленты і;л=0,019 м-с 1 и угле наклона а=20.
Анализ экспериментальных данных по распределению частиц индикатора в слое зернистого материала показал, что на рабочем участке слоя сыпучего материала имеют место достаточно интенсивные сдвиговые деформации, за счет чего происходило перераспределение частиц индикатора по всему объему рабочего участка слоя при а=20 и і;л=0,019 м-с"1 (рис. 2.5 и 2.6). Этот факт свидетельствует о возможности использования разработанной конструкции экспериментальной установки и методики проведения исследований при описании эффектов взаимодействия частиц зернистого материала при "медленном" сдвиге.
Аналогичные экспериментальные исследования проведены на другом модельном материале - частицах стеклянного бисера. На рис. 2.8 представлены профили скорости - кривые изменения скорости сдвига по толщине слоя модельных материалов. Максимальная скорость сдвига наблюдается в непосредственной близости к движущейся шероховатой ленте. По мере удаления от нее вглубь слоя зернистого материала интенсивность сдвига уменьшается и в непосредственной близости к шероховатому основанию становится равной нулю. В соответствии с этими характеристиками деформирующегося слоя изменяется и профиль порозности по толщине слоя зернистого материала. В областях потока, характеризующихся высокими значениями скорости сдвига, закономерно наблюдаются более высокие значения порозности. Достаточно интенсивные сдвиговые деформации наблюдаются при использовании обоих модельных материалов. При этом сдвиговым деформациям подвергается объем материала, охватывающий более семи элементарных слоев соответствующих материалов. Анализ зависимостей порозности от скорости сдвига s = f(du/ dy) рис. 2.9 при различной скорости движения ленты конвейерной ячейки позволяет заключить, что порозность слоя увеличивается не только при увеличении скорости сдвига, но и с возрастанием скорости ленты, что объясняется изменением условий заполнения канала исходным материалом.
1. Разработана оригинальная конструкция сдвиговой ячейки, которая позволяет с достаточно высокой точностью определить структурные и кинематические характеристики деформируемого сыпучего материала за счет обеспечения стационарных условий взаимодействия частиц в режиме их длительного скользящего контакта. Предложена методика экспериментального исследования эффектов взаимодействия частиц зернистого материала при сдвиговом течении в режиме пластических деформаций.
2. Проведено исследование характеристик сдвигового потока частиц в сдвиговой ячейке в режиме пластических деформаций зернистых материалов. Полученные экспериментальные данные по течению зернистого материала свидетельствуют о наличии достаточно обширной области двухмерного сдвигового потока, пригодной для исследования эффектов взаимодействия частиц, а также о существенной взаимосвязи между локальными значениями порозности и скорости сдвига.
Для аналитического описания процесса перемешивания дисперсных материалов широко используется диффузионная модель. Уравнение кинетики смешения обычно формулируется при этом в виде закона диффузии Фика [17,27,61] Jm=- gradc. (3.1)
Основные трудности на пути такого описания возникают при определении величины коэффициента квазидиффузионного перемешивания. Stephens и Bridgwater [36] предложили определять коэффициент квазидиффузии при сдвиге зернистой среды на базе теоретической модели Эйнштейна Броуновского движения частиц с учетом скорости сдвига, размера частиц и экспериментальных значений дисперсии распределения частиц индикатора. Очевидно, что прогностические свойства такого метода весьма ограниченны и, кроме того, при его реализации без внимания остается важный микроструктурный параметр среды - порозность. Необходимость учета доли свободного пространства в зернистой среде представляется чрезвычайно важной, поскольку последняя определяет взаимную подвижность частиц в среде. Исследования, проведенные в предыдущем разделе работы, свидетельствуют о существенной структурной неоднородности среды вследствие зависимости порозности от скорости сдвига.
Моделирование процесса перемешивания зернистого материала при сдвиговом течении в режиме пластических деформаций
Проверка адекватности разработанной модели динамики распределения частиц в двухмерном установившемся сдвиговом потоке была проведена путем сравнения результатов моделирования процесса перемешивания с экспериментальными данными, полученными в режиме пластических деформаций на конвейерной сдвиговой ячейке (рис. 2.1) по методике, описанной в главе 2. В качестве модельных зернистых материалов использованы керамические гранулы диаметром 6,6 х 10 3 м и частицы стеклянного бисера диаметром 3,5х10 3 м, а в качестве индикатора - окрашенные частицы этих материалов. Экспериментальные исследования проведены при импульсном вводе индикатора и неизменных условиях сдвига для каждой из зернистых сред.
В результате анализа отобранных проб на содержание частиц индикатора получено распределение концентрации с по длине х и толщине слоя у керамических гранул рис. 3.3 и 3.4 [95] и частиц стеклянного бисера рис. 3.5 и 3.6. Из этих результатов следует, что перемешивание частиц осуществляется по всей исследуемой толщине слоя материала. Причем наиболее интенсивное перемешивание частиц наблюдается в слоях материала, расположенных в непосредственной близости к движущейся ленте, что объясняется более высокими скоростями сдвига в этой области потока. Кроме того, анализ кривых распределения концентрации по длине желоба, приведенных на рис. 3.4 и 3.6, показывает, что перемешивание частиц стеклянного бисера происходит более интенсивно по сравнению с керамическими гранулами. Очевидно, это является следствием относительно более интенсивных сдвиговых деформаций для этого материала. Аналогичные функции распределения концентрации частиц индикатора по толщине зернистого материала для соответствующих участков слоя при фиксированных параметрах потока получены в результате численного решения уравнения (3.9) динамики распределения частиц в двухмерном установившемся потоке. Значение коэффициента квазидиффузионного перемешивания йдиф, необходимое для моделирования процесса, определено путем экспериментального исследования динамики сдвига по методике, изложенной в главе 2. На рис. 3.7 и 3.8 представлены экспериментальные и расчетные зависимости динамики поля концентрации частиц индикатора в потоке керамическихул и частиц стеклянного бисера при аналогичных условиях организации сдвигового течения для каждой из зернистых сред, позволяющие сделать вывод о том, что расчетные значения достаточно хорошо как качественно, так и количественно соответствуют экспериментальным данным.
Адекватность уравнения динамики проверена путем статистической оценки степени расхождения расчетных и экспериментальных результатов. Методом оценки степени различия дисперсии экспериментальных результатов относительно их средних значений с дисперсией прогнозируемых значений концентрации частиц индикатора с доверительной вероятностью 95 % сделан вывод об адекватности предложенного уравнения динамики поля концентрации частиц индикатора в потоке зернистого материала. Адекватность прогнозируемых и экспериментальных результатов имеет место для модельных материалов с различными физико-механическими свойствами.
Среднее квадратичное отклонение прогнозируемых профилей концентрации от экспериментально полученных в среднем по приведенным результатам исследования составляет 7 %. Таким образом, результаты статистического анализа свидетельствует о том, что уравнение динамики распределения частиц в сдвиговом потоке характеризуется относительно высокими прогностическими свойствами.
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3
1. Проведен анализ механизма взаимодействий сферических однородных частиц при сдвиге зернистой среды в стесненных условиях, на основании которого предложен метод прогнозирования коэффициента квазидиффузионного перемешивания.
2. Методами физического и математического моделирования проведены исследования динамики процесса перемешивания частиц при сдвиговой пластической деформации зернистых материалов, которые свидетельствуют об адекватности предложенной расчетной зависимости для определения коэффициента перемешивания.
Метод определения коэффициента сегрегации и моделирование динамики распределения неоднородных частиц при сдвиговом течении зернистой среды
Сделан вывод об адекватности предложенного уравнения динамики поля концентрации частиц индикатора в потоке зернистого материала. При этом адекватность прогнозируемых и экспериментальных результатов имеет место для модельных материалов с различными физико-механическими свойствами.
Среднее квадратичное отклонение прогнозируемых профилей концентрации от экспериментально полученных по приведенным результатам исследования составляет в среднем 7 %. Таким образом, результаты статистического анализа свидетельствуют о том, что уравнение динамики распределения частиц в сдвиговом потоке характеризуется относительно высокими прогностическими свойствами.
В целом полученные результаты позволяют наблюдать хорошее количественное и качественное соответствие между расчетными и экспериментальными значениями распределения контрольного компонента по всей длине ячейки за исключением небольшого участка вблизи движущейся ленты конвейера. Наблюдаемое несоответствие расчетных и экспериментальных результатов на этом участке объясняется наличием граничных эффектов.
Анализ существующих измерительных ячеек сдвига, изложенный в первой главе, показал, что до настоящего времени не представлялось возможным получить экспериментальные данные, необходимые для микроструктурного анализа эффектов взаимодействия частиц при сдвиговых пластических деформациях зернистых материалов. Поэтому одним из важных результатов работы является экспериментальная установка - конвейерная сдвиговая ячейка и разработанные методики исследования эффектов взаимодействия частиц зернистых материалов при сдвиге. Разработанная конвейерная сдвиговая ячейка, обеспечивающая благоприятные условия для исследования механизмов взаимодействия частиц при сдвиговых пластических деформациях зернистых материалов, внедрена в учебный процесс Тамбовского государственного технического университета и используется при подготовке инженеров по специальностям 240801 - Машины и аппараты химических производств и 260601 -Машины и аппараты пищевых производств и магистров по направлению «Технологические машины и оборудование».
Данная установка также успешно используется в ГНУ "Всероссийский научно - исследовательский и проектно - технологический институт по исследованию техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве" для определения реологических свойств сыпучих материалов.
Имеющийся расчет разнообразного технологического оборудования часто базируется на приближенных зависимостях, не учитывающих структурно - кинематические характеристики потока сыпучего материала, движущегося по рабочим элементам оборудования. Предложенное в работе математическое описание кинетики перемешивания и сегрегации частиц при их сдвиговом пластическом течении позволяет, детерминировано учесть эффекты взаимодействия частиц при технологическом расчете процессов и оборудования для переработки зернистых материалов. Для практического использования уравнения кинетики сегрегации в технологических расчетах процессов и оборудования чрезвычайно важной, как отмечено в разделе 4.2, является возможность прогнозирования коэффициента сегрегации. Простотой и надежностью отличается экспериментальный метод определения этого коэффициента по результатам измерения скорости сегрегирования (проницания) одиночной контрольной частицы в сдвиговом потоке зернистой среды с использованием конвейерной сдвиговой ячейки.
Названные зависимости в совокупности с методом определения кинетических характеристик сегрегации (коэффициента сегрегации и движущей силы процесса) приняты к использованию ОАО "Корпорация "Росхимзащита"", и ГНУ ВИИТиН при разработке смесителей, сепараторов, емкостного и транспортирующего оборудования для сыпучих материалов и оценке их склонности к сегрегации.
