Введение к работе
Аа../альйость темы. Процессы механической обработки дисперсных материалов (измельчение, окзтка, активация) являются одними нз основных в производстве большинства сыпучих компонентов для различной областей промышленности. Актуальность исследований в этой области определяется значятеяь-ньш влиянием дисперсности, формы частиц н количества дефектов кристадлячесшй структуры на тсхнолопггеские свойства порошков и большим объектом производства МНОГИХ НЗ HIDC
Необходимость механической обработки сыну. х материалов . как в виде целевой продукции, так н ня промежуточных стадиях переработки в изделия требует содд«нпя : вых типов машин и аппаратов, отличающихся высокой производительностью и низкой энергоемкостью. В настоящее время находят применение машины и аппараты для измельчения, окатки (овадизацип) и механичесж^»") активации диси^рсньк материалов, использующие разные принщты работы. Однако, универсальных агрегатов, способных проводить различные виды механической обработки частиц, практи-^ки, не существует. Известнк, мельницы и диспергаторы of адают высоким удельным энергопотреблением и по требованиям бешасности болышшетво из них не может быть использовано для измельчения потенциально опасных материалов. Применяемые методы "мокрого" помола чрезвычайно усложняют технологический процесс дополнительными ь.помогательньши опі. лцнями (суспендирование, фильтрование, сушка и т.п.).
Суп ггвует значительный разр^ между достижениями в области созд'іИЯ новых ггеряал^в и возможностями оборудования для их производства, в большинстве своем не изменившегося в последние десятилетия. Повышенные требования к качеству исходных компонентов определяют актуальность исследований, направленных на создание принготиалъно новых типов аппаратов, обладающих низким энергопотреблением и позволяющих управлять процессом.
Использование динамических эффектов двухфазных вихревых потоков, обеспечивающих самоизмельчение 4wrau материала, представляется одним из наиболее перспективных направлений
решения поставленной задачи. Проблемы механической обработки дисгк. сных материалов в вгтревых потоках остаются недостаточно яз-піе!шшш. Возможные режимы обработки (измельчение, окатка, ажтквацпя) чаще рассматриваются как отде^ные технологические процессы н не обобщены единой теорией в рамках логически увязанного физико-математического описания.
Цель работы. Создание экономичных универсальных вппаратов для механической обработки дисперсных материалов, в том числе и птенциально опасных веществ, использующих гч)нпшшы вихревого движения газоывеси, и разработка научно обоснованной методики их расчета на основе т'галекса теоретических и экспериментальных исследований с применением методов математического моделирования является основной целью данной работы.
Научная новизлл. .1а основе существующих теорий прочности н дефекгообразования разработана единая энергопрочностиая концепция процессов механігческой обработки (измельчение, окатка, "чегивация) дисперсных материалов.
Предложены математическое описание аэродинамики вынужденного вихря и модель ^теоретической" вихревой камеры, позволяющая проектировать ее геометрический профиль, обеспечивающий стабильность процесса обработки.
Математически описан механизм взаимодействия частиц в вихревом двухфазном потоке, учитывающий их рикошетное столкновение со стенкой камеры. Получен критерий динамического подобия процессов механической обработки дисперсных материалов в вихревых камерах.
Разработан метод графического представления результатов механической обработки, заключающийся в построении диаграммы ориентированных траекторий исследуемых процессов, которая наглядно показывает изменения размера п формы частиц при измельчении и окатке.
Практическая значимость. Разработан ряд новых машин и аппаратов для механической обработки дисперсных материалов, использующих в своей консгруюжи принципиально новый тип вгтреаик камер. Они поваляют измельчать, окатывать и активировать широкий спектр дисперсных материалов от
неорганических солей до волокнистых, абразивных и потенциально опасные зсществ. Промышленная апробация в НПО "Кристала" показала их высокую эффективность, низкое энергопотребление, универсальность и безоцаеность.
Апробация работы. Ос ювные положения диссертации докладью-тась к обсуждались иа: Всесоюзном совещании "Повышение эффективности и надежности машин и аппаратов в основной химии" (Сумы, 1989); Всесоюзной конференции "Тсхполопш сьшучих материалов" (Ярославль, 1989); IV Всероссийской научной конференции "Дндашгка ироцессеч и аппаратов хнмыче шй технологии* (Ярославль, 1994); Ьссроссийском совещании "Паука и технология енлшг'тных материалов в современных услевнях рыночлоа экономики" (Москва, 1995).
П}йкикадки. По теме диссертации опубликовано семь работ, в том числе одно авторское свидетельство.
Структура і. .)б*сы работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных результатов работы, списка литературы и приложения. Материал, диссертации наложен па 20S страннцах, содержит 88 рис.иков, б станиц приложений и список лк"ературъ1 из 111 наименований, всего 221 страница.
йо введелпн показана актуальности темы и определены основные направлепня исследованпй.
В trepsoS главе выполнен системный анятіз і^/оцесса, позволивший поелсдовательло рассмотреть проблему, и проведен ooV"» rarcparvbi н патентных нсг.чниюов по современному состоянию noirpocon мехаль jcicon обработки дисперсных материалов, в частности, потсягцкальпо опасных веществ.
Процессы механической обработки дисперсных материалов имеют общие физические основы. Дня реализации любого из них необходимо сформ-ровать поле напряжений а частице, в результате механического воздействия на нее, а для получения ожидаемого результата требуется создать специальный характер этого поля как во временя и пространстве (объеме чветитш), так а по энергетическому уровню. Упругая или пластическая деформация, локализуется в тонком слое, прилежащем к поверхности
наивысших иапряхепнй, вдать которой происходит деструкция части % Это приводит либо » формированию необратимых дефектов iq істаялической структура (активация), либо к разрушению поверхностного слоя (окатка), либо к полному разрушен^*) частицы яа несколько (измельчение).
Анализ существующего производства для тонкого измельчения показал целый ряд существенных недостатков: наличие взрывоопасных стадий; большая энергоемкость; низкая прогнозируемост результатов; высокий намол и износ стсяок Х-лбочих камер.
Особый интерес представляют исследования, посвященные механике вихревого движения потоков. Вихревые структуры обладают рядом особых свойств, позволяющих проводить в них "уникальные" процессы обработки твердой фазы. Область применения внхреаы. потоков газовзвесей ограничена кругом процессов, связанных с сепарацией, горением, сушкой и грануляцией, и, практически, не затрагивает механическую обрабо-іч-v дисперсных частиц. Известны примеры использования вихревых камер для абразивной очистки поверхности tj б, помола материалов, овалігшіїш порошков. Их применение позволяет повысить проюводитедьность аппаратов, уменьшить габариты установок, снизить энергоемкое *ь. Крупномасштабное внедрение вихревых камер в промышленность осуществляется медленно, это объясняется рядом причин, в том числе отсутствием надежных методов их расчета а критериев подобия для перехода от лабораторных моделей к промышленным установкам.
Глава вторая посвящена математическому описанию процессов механической обработки дисперсных материалов.
Разработана модель критических энергетических уровней напряжений, возиих«иоших в результате механического воздействия на частицы (рис.1). Величина крттических напряжений определяется, кроме упругих и прочностных свойств материала, способностью к дефекгообраэованию. перемещению дефектов и пропорциональна количеству уже существующих дефектов в частице. Создавая на поверхности материала различные по эггргсгическому уровню наї ряжения, можно проводить тот или ивой вид механической обработки. При уровне напряжений до <та
7 иехааическое воздействие приводит лишь к нагреву частиц, от 0д яо Оцр проходит агспівацля (дсфсктообраэованпе) или упрочнение (запирание дефектов кристаллической решетки повшш де<1>екгамн), прп урошге от СГ^ до Стгср идет разрушение частиц по дефектам. В этой области мохіїо выделить два режима обработки: скатку (еллизашпо) - потерю поверхностного слоя частицей и более энергоемкий режим разрушение по внутренний дефектам -измельчение, который по результирующим геомстричеекзм вараметраи частиц близок к разругаепгао кристаллических связей. Мгзкду шши можно установить З'слоьный перехе шей уровень напряжений Оуц. При уровяе больше о^ происходит разрушение частицы с разрывом связей в крпеп"танче<. .ой решеткв, энергия которых очень велика. Для достижения энергий близких к 02кр асобхолнмы большие скорости взаимодействия частиц.
Нагрев
Активация
Окатка
Измельчение
Pa-jpyniemss
>
д 1кр уп 2кр Напрякаак
Рмс.1. Схема энергетических уроаней напряжений.
Получено уравнение, определяюшее величину критической скорости взаимодействия частин, необходимую для реализация конкретного режима механической обработки
P.
Функциональные операторы R„ кроме предельных напряжений Сі, зависят от предыстории материала (наличие и вид дефектов, способность к деф. лтообразоватпо, поле расположения дефектов). Предлагаемый механизм обработки частиц дисперсного материала основан на касательном столкновении некоторой дола чаепщ со стенкой камеры. Подобный удар частицы о стенку не может привести к образованию в ней напряжений, достаточных для разрушения. Отразившаяся под углом у чистила „новь попадает в поток газовзвеси, где она сталкивается с другими частицами. Поскольку величина и направление скоростей этих частиц сильно
отличаются, их азаздодейстаяс приведет к механической обраі, jrre. Скорость столкновения частиц в этой случае
weWpU-acosy). С>
Величине коэффициента восстановления скорости а в угла отражения у зависит как от свойств материала чг-тиц к стенкх, так а от формы, размера частиц. Механизм локального изменения величины я направления скорости частицы при ее столкновения со стенкой под м?чым углом я последующее взаимодействие с Лупши частицами, будем вазывстъ механизмом рикошета. Сформулировав критерий концентрационного подобия мгхавизма рикошета
—i»const. (3)
В результате анализа энергетики процесса обработки получена формула для определения степени модификации 1ш%жРя (изменения физико-механических параметров частиц *F)
Значения коэффициентов К, п і rj существенно отличаются для разных видов обработки в аппаратов.
Не учитывая низкоэнергстические процессы (активация, вагрев) механическую обработку можно рассматривать как совокупность только двух режимов окатка и измельчение. Основными параметрами, характеризующими геометрию часпгаы, являются ее поверхность я форма, между которыми была ус .аноалеп» однозначная зависимость: ддяоквтки
*-- <s>
для измельчения
, /v-iy
S-«d* l-l ,-, . (б)
( , лг\
Уравнения (5) и (б) позволяют построить траектории окаткн н измельчения, которые образуют диаграмму процесса механической обработки S=f(tp').
При механической обработке может неоднократно наблюдаться переход яз одного рехи-ма в другой в зависимости от прочностных параметров частицы (наличие и количество диесгашруемой . .оншости
пжгхностъ
KlWutrVCHW!
Рис.2. Диаграмма механической
обработки паї. ил дисперсного
материала.
дефектов структуры) в уделмк"? Для материалов с идентичными прочностными и геометрическими параметрами положение точки перемены режима обработки будет зависеть только от энергетики пронес*, а, т.е. от скорое я двнжен ч частиц. Это наглядно пг"-дстаалсно в трехмерном пространстве механической обработки (рнс.2). Существование энергетической ты (области) перемены режима обработки обусловлено сложными физическими явле пнями, происходящими в часпще при механическом воздействии.
При малых уровнях две шируемой мощности частица подвержена окатке. Увеличение мощности в каї \ то момент приводит ' смене режима на измельчение, вызванное постепенным нак шкпиеы дефектов, затем, п^сле их "раскрытия", режим опять сменяется на окатку. При определенном .ровяс мощности частица из исходного состояния сразу подвержена измельчению без окатки. Однозначно сущее «уют значения двеенпируемой мощности, ниже и выше которых перемена режима обработки невозможна. Такой подход позволяет эффективно решать задачи оптимизации и управления проиессамн механической обработки дисперсных материалов.
Третья глава посвящена описанию аэродинамики вихревых камер и силовому взаимодействию фаз в вихревых лотоках.
По условиям механизма рикошета наиболее оптимальной конструкцией вихревой камеры является цилиндрическая полость,
создающая кынужзснпый вихрь. Будем называть камери с танп: ипалълой подачей газа - струйно-вяхревьши (рис.3), а с мв-х?-'Ечссыш возбуждением ьихря - цетробежво-вихреаьши (рис.4). При рассмотрении плоской модели гттхреюго потока сжимаемой среды получено уравнение вынужденного шаря
(7)
Условве (7) показывает изменение тангенциальной скорости потока Ug а ссчевян вихревой камеры радиусом R«.
) в)
Рис-3. Конструкции струйно-вихревш камер: а) пялнндричесюи, 6) тороидальная.
6) »)
Рпс.4. Конструкции пентробежио-вихревых саиср: а) роторные вертикальные, 6) роторная радиальная, в) роторная тороидальная.
Основная масса газоаихревого потока расположена в периферийной зоне камеры, где существенио повышены плотность, давление п температура газа. Центральная область содержит ыалую долю массы птаря п, практически, не участвует в процессах обработки.
При дт зеешш газа вдоль стенки вихревой камеры реалшал скорость потока определяется действием двух механизмов: торможением прв треыш о стенку, снижающим пристенную тангенциальную скорость Щ а ускорением за спет сжатия центробежной силой.
Изменение скорости потока газового вихря в пристенной зоне вихревой камеры при постоянном расходе определяется радиусом кривизны поверхности. Меняя радиус r-шеры по уравнению ^теоретической" вихревой кал.еры (ТВК)
pjube-.R,.^) -і
1 к. Ч
-I
b 2 Rc ад^
О, (8)
где f^kg-l,328-Re/"-5 - коэффшшеит трения, можно добиться сохраяепня вхидяой скорости на всей длине стенки, что необходимо для реализации стабильного режима механической обработки дисперсной фазы в потоке.
Приведенный анализ сил, действующих на пастилу в вихревой потоке, позволил получить следующую систему дифференциальных уравнений движения в пили ндричесжи* координатах
duP . / \#Э ^в*
Р 9
—-«Alu.-u-) —
(9)
_t.-A.(»,-»,) +J.KM._.-t.(B,..J.a
roe A-41,5 к (11-10 фр Др»жтр-щ\/т,
Первые слагаемое ж правых частях уравнений отражают аэродинамическую силу сопротивления с учетом Р!жферичности
12 частиды, второе слагаемое в первой ур<.лневня обусдовлс то Кориолисовьш, а во втором - певтростреивтельвьш ускорением. Последнее слагаемое во втором уравнении вызвано силой Мігвуса. Численные решения системы уравнений (9) с учетом данных но структуре потока в вихревой камере показали, что в зависимости от размера частица постепенно занимает определенную нестационарную орбиту, радиус которой может быть больше или меньше радиуса камеры, что и определяет ее возможное столкновение со стенкой. Прежде чем выйти на орбиту частица совершает цикл осциллирующих движений возле нее, причем, чем она крупнее, тем период и амплитуда колебаний больше. В результате анализа системы (9) получен критерий подобия процесса взаимодействия сплошной в дисперсной фаз в вихревых камерах
<Р Р« Rc
Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям процесса механической обработки дисперсных материалов и аэродинамики вихревых камер. Кроме того, проведен их анализ и сопоставление с теоретическими исследованиями.
С целью подтверждения выдвинутых предположений а проверки теоретических исследований были разработаны и созданы экспериментальная установка и несколько лабораторных ахшетжгов и машин, которые реализуют предложенный принцип механической обработки дисперсних материалов.
Роторная вертикальная центробехио-кихревая камера с механическим завихрвтелем (рис.4а), реализована в конструкции роторно-вихревой ие.пънтш (РВМ), которая защищена авторским свидетельством. В пентробежво-вихреаой машине (ЦВМ) периодического действия применена роторная тороидальная цевтробежно-вихревая камера (рис.4в), что позволяет проводить исследования по измельчению и окатке кристаллических и волокнистых материалов с большим временем обработки. Роторно-вихревой аппарат (РВА) реализует конструктивные признаки роторных радиальных пентро-бежио-вихревых камер (рис.4б). Сгруйно-вихревоЙ аппарат (СВА) для механической обработки потенциально опасных материалов, ее
13 содержит вращающихся элементов в узлов трения, ковструхтшшо повторяет тороидальную струйно-вихревую камеру (рнс.Зб).
Измеренная а плоских моделях СВА тангенпиальная скорость (рис.5) при небольших степенях закрутки потока (и) изменяется близко к вынужденному вихрю (7) (линия 2). При больших значениях в впхр; ое формирование внутри камеры состоит из периферийного вихря, вызванного входной струей газа, центрального ядра, вращающегося значительно медленнее, и рециркуляционной зоны между ними. Как периферийный вихрь, так и центральное ядро являются по своей структуре вынужденными вихревыми образова-ниямл и самостоятельно описываются уравнением вынужденного вихря, с конкретными граничными условиями (линия 3). Линия 1 характеризует профиль простого вывужденногг вихря при =750 с-1.
Сравнение теоретичесх Л модели изменения тангенциальной ристенной скорости газа U2 и экспериментальных данных приведено на рис.б. Ливия I обусловлена торможением об стевку камеры, линия 2 определяет ту пристенную скорость потока, которую бы он имел на криволинейной поверхности без сопротивления трения. Линия 3 показывает результирующую скорость потока Экспериментальные данные получены на модели с R<;=25 мм. шн,.ивой сопла 3 мм и расходом воздуха 18 м^/ч, скорость на входе составляет около 50 м/с
Величины коэффициентов в (3) определены экспериментально и coci-аляют. kn«450, tg«0.5.
Исследования скорости потока uj позволили сделать вывод, что с учетом центробежного сжатия в зависимости от диаметра вихревой камеры мы можем поддерживать пристенную скорость лвбо ниже, либо выше скорости потока на входе. Применяя камеры переменного радиуса кривизны, рассчитанного согласно модели ТВК (8). можно добиться практически постоянной в равной входной скорости потока. При скоростях меньше 30 м/с применение спиральных вихревых камер теряет смысл ввиду незначительного снижения скорости U2 В данном случае возможно применение камеры постоянного радиуса. Если допускается некоторое превышение рабски скорости потока на входе, то целесообразно также применять вихревые камеры постоянной кривизны со средним радиусом. рг>"іитаннь' і по основному участку (в>*/3).
"і м/с
0 10 20 JO г, мм
Рвс.5. Профиль гадгендиальпоя скорости г тиса прн Rc"4Q шс О-=750 с-1; о-=438 с*>.
0 ! 2 Ъ 4
0. рад
.6. Сравнение рассчитанных значений пристенной скорости потоки с эксперкмсыталт.ныки.
Подтверждено предполоасение о существовании критвчеоых энергетических уровней напряжений & частотах ара механической обработке (рве. 1) в установлены критические скорости взаимодействия частин (1) для некоторых материалов.
Оптимальные значения критерия (3) аежат в диапазоне от 2-Ю'3 до 4-10-3 и3/си3 для всех исследованных аппаратов н машин.
0.001
кДж/нг
Сопшспо экспериментальным данным по условной эффектнвностн вихревых аппаратов необходимо, чтобы величина критерия динамическо j подобия Kvvr (10) была постоянной н больше 40.
Рпс.7. Зависимость степени
измельчения NaN03 от удельпой
днссиплруемой энергии.
Определены значення коэффициентов К, а н п в формуле (4) для различных материалов н аппаратов.
Предположение о суш гвованнл нескольких энергетических .ровней дефектов (ЭУД) кристаллической структуры частиц ьодтверждено экспериментами по механической обработке. Исследования влияния удельной диссянируемой энергии на степень измельчения (рис.7) показали наличие характерных участков: деструкция и структурной устойчивости материала, определяемых ЭУД.
Сушествоыняе области перемены <рехаша обработки (рнс.2) доказано многочисленнымн этапернментмда на разных материалах.
Анализ результатов измельчения н окатки в вихревых аппарата., показал их высокую эффективность и сравнительно низкую энергоемкость, кроме того подтверждена адекватность выбранных критериев моделирования. Сравнительные данные по механической обработке представлены в таблице 1 и на рис.8.
Пятая глам посвящена практическому использованию результатов исследования. Предложена методика расчета машин я аппаратов и даьы рекомендации по их применению для механической обработки различных материалов.
Разработала промышленная установка для подготовкп сыпучих компонентов, сочетающая сушку в измельчение, основным аппаратом которой яв-ь.ется роторно-вихревая мельница. Определены оптимальные параметры ведения процесса.
Описаны особенности окатки н активации кристаллических материалов в пентробезено-р'хревой машине, обусловленные
а) б)
Рнс.8. Микрофотографии частин элсктрс - ерунда (увеличение в 50 раз): а) исходные (Фн—0.74); б) окатанные (Фк^О.М; j=l,l4).
Таблица 1.
Стелені физяко-мехаяичесюой модификации (измельчения, окихки*) материала.
17 фпзяко-хпмическими процессами дефектообразовапия, проходящими в кристаллах при механическом воздействии на них.
Создан и успешно примеїгяется промышленный пгптробежно-впхревой измельчитель непрерывного действия для язгжлътеття гллогагастых материалов. Определены его основные рабочие хар; геристики и приведены результаты по измельчению различных материалов.
Представлены даннпіе по кзмельчептпо потептгиалт.по опяспых Естдеств в струтгао-кпхревон агшарате, которые подтверждают его высокую эффективность и безопасность. По результатам опытно-промышлепных испытаний составлена технологическая справка. Проведенные исследования позволили создать промышленный струйпо-вихревой измельчитель потенциалы.-) опасных материалов.
Приведены сравнитель jc данные по основным параметрам л аботы СВА и серийно выпускаемых струйных мельниц, аналогичных по производительности. Не уступая по большинству рабочих характеристик. СВЛ обладает значительно меньшим энергопотреблением.