Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы моделирования и расчета совмещенных процессов 16
1.1. Математические модели тепло- и массообменных процессов в гетерогенных средах, совмещенных с измельчением частиц дисперсной фазы 16
1.2. Методы решения задач тепло- и массопереноса для областей с подвижными границами 21
1.3. Модели процесса диспергирования и активации .24
1.4. Физические представления о механизмах интенсификации тепло- массообменных процессов в комбинированных аппаратах 28
Выводы и постановка задач исследования 30
Глава 2. Теоретический анализ тепломассопереноса в процессах термообработки гетерогенных систем при различных способах подвода энергии 32
2.1. Теплопроводность шара и пластины при граничных условиях третьего рода и с учетом внутренних источников теплоты различной физической природы 32
2.1.1. Общие положения 32
2.1.2. Теплопроводность шара при граничном условии третьего рода и внутренних источниках теплоты, порожденных импульсным нагружением 32
2.1.2.1. Случай неравномерного начального распределения температуры в частице 32
2.1.2.2. Случай переменной температуры среды 36
2.1.3. Теплопроводность шара при граничном условии третьего рода и внутренних источниках теплоты, порожденных потоком лучистой энергии 39
2.1.3.1. Случай неравномерного начального распределения температуры в частице 39
2.1.3.2. Случай переменной температуры среды
2.1.4. Теплопроводность шара при граничных условиях третьего рода и внутренних источниках теплоты, порожденных ударным нагружением и потоком лучистой энергии 45
2.1.5. Теплопроводность неограниченной пластины при граничных условиях третьего рода и внутренних источниках теплоты, порожденных потоком лучистой энергии 51
2.1.6. Качественный анализ оптимального управления процессом нагрева сферической частицы в потоке газа переменной температуры 53
2.2. Сопряженная задача теплопроводности для шара с внутренними источниками теплоты и движуш;ейся границей (задача Стефана) при моделировании термического разложения твердой частицы 58
2.2.1. Общие положения 58
2.2.2. Физическая модель 58
2.2.3. Математическая модель 58
2.2.4. Численная реализация полученного решения, его анализ и выводы 61
2.3. Задача теплопроводности для шара с внутренними источниками теплоты и движущейся границей (задача Стефана) при моделировании процесса сублимации частицы в потоке газа переменной температуры 65
2.3.1. Общие положения 65
2.3.2. Физическая модель 65
2.3.3. Математическая модель 66
2.3.4. Анализ решения, компьютерная реализация модели, выводы.80
2.4. Сопряженная задача теплопроводности для бесконечной пластины с движущейся границей испарения в ней (задача Стефана) 83
2.4.1. Общие положения 83
2.4.2. Физическая модель 83
2.4.3. Математическая модель 84
2.4.4. Анализ решения, компьютерная реализация модели, выводы.89
2.5. Моделирование процесса измельчения твердых частиц в роторно-импульсных измельчителях с помощью марковских дискретных моделей 91
Выводы к главе 2 98
Глава 3. Совмещенные процессы термообработки гетерогенных систем при различных способах подвода энергии 100
3.1. Шженерный метод расчета и аппаратурное оформление топохимической реакции, совмещенной с измельчением и механо активацией твердой дисперсной фазы 100
3.1.1. Физические представления о процессе обжига, интенсифицированного измельчением и механоактивацией твердой фазы на примере термической диссоциации карбонатов 100
3.1.2. Обобщенное математическое описание совмещенного процесса обжига - измельчения - механоактивации 104
3.1.3. Моделирование гидродинамической обстановки в аппарате комбинированного действия 109
3.1.4. Экспериментальное исследование процесса обжига в аппарате интенсивного действия 128
3.1.5. Проверка адекватности математической модели совмещенного процесса термического обжига твердой дисперсной фазы 147
3.1.6. Выводы по экспериментальной части 148
3.1.7. Инженерный метод расчета реактора интенсивного действия 149
3.1.8. Аппаратурное оформление комбинированного процесса. Применение комбинированных аппаратов в различных технологических схемах 154
Выводы к разделу 3.1 160
3.2. Инженерный метод расчета и аппаратурное оформление процесса сублимации органических веществ, совмещенного с измельчением и механоактивацией твердой фазы 161
3.2.1. Система физико-механических эффектов и явлений, протекающих в процессе сублимации дисперсных материалов, интенсифицированном измельчением и активацией 161
3.2.2. Обобщенное математическое описание совмещенного процесса измельчения - активации - сублимации в роторно-импульсном сублиматоре 166
3.2.3. Описание экспериментальной установки для исследования сублимации органических веществ 168
3.2.4. Экспериментальное исследование совмещенного процесса измельчения - активации - сублимации дисперсного материала в сублиматоре роторно-импульсного типа 171
3.2.5. Проверка адекватности математической модели совмещенного процесса измельчения - активации - сублимации 185
3.2.6. Инженерный метод расчета сублиматора на базе роторно-импульсного измельчителя 193
3.2.7. Разработка химико-технологической системы парофазного крашения текстильных материалов 201
Выводы к разделу 3.2 208
3.3. Инженерный метод расчета и аппаратурное оформление процесса удаления органического растворителя из основы синтетической кожи в токе водяного пара 209
3.3.1, Общие положения 209
3.3.2. Обобщенное математическое описание процесса сушки синтетической кожи от органического растворителя пере гретым водяным паром 210
3.3.2.1. Физическая модель испарения растворителя из синтетической кожи 210
3.3.2.2. Математическое моделирование процесса сушки пластины от органического растворителя перегретым водяным паром 211
3.3.2.3. Определение коэффициентов тепло- и массоотдачи при сушке синтетической кожи перегретым водяным паром 221
3.3.3. Описание экспериментальной установки для исследования кинетики удаления экстрагента 222
3.3.4. Проверка адекватности предложенной математической модели 231
3.3.5. Инженерный метод расчета непрерывного варианта процесса удаления органического растворителя из основы синтетической кожи и его аппаратурное оформление 235 Выводы к разделу 3.3 244
3.4. Метод расчета и аппаратурное оформление процесса теплообмена в солнечном коллекторе 246
3.4.1. Общие положения 246
3.4.2. Физическая и математическая модели транспорта теплоты в солнечном коллекторе 247
3.4.3. Описание экспериментальной установки солнечного коллектора с гравитационным течением теплоносителя 253
3.4.4. Проверка адекватности математической модели тепло-переноса 253
Выводы к разделу 3.4 254
Основные результаты и выводы 257
Литература 259
Условные обозначения 272
Приложения 273
- Физические представления о механизмах интенсификации тепло- массообменных процессов в комбинированных аппаратах
- Теплопроводность шара при граничных условиях третьего рода и внутренних источниках теплоты, порожденных ударным нагружением и потоком лучистой энергии
- Обобщенное математическое описание совмещенного процесса обжига - измельчения - механоактивации
- Разработка химико-технологической системы парофазного крашения текстильных материалов
Физические представления о механизмах интенсификации тепло- массообменных процессов в комбинированных аппаратах
Число работ, посвященных развитию фундаментальной теории тепломассопе-реноса, основанной на получении аналитических решений задач теплопроводности, в том числе задач типа Стефана, явно не достаточно. Отсутствуют работы, в которых в рамках единого системного подхода при математическом описании совмещенных процессов гетерогенных систем одновременно были бы получены и использованы модели нестационарного тепломассопереноса в твердой фазе (в том числе с движущейся границей фазового перехода), учитывающие механоактивационные эффекты, а также модели кинетики диспергирования.
Вторая глава посвящена теоретическому исследованию тепломассопере-носа в процессах термообработки (таких как сублимация, сушка, испарение) гетерогенных систем при различных способах подвода энергии. Системный подход к изучению данных процессов требует построения физической и математической модели процесса прогрева и фазового перехода (реакции) на уровне частицы.
Первоначально проведен краткий анализ физических представлений о механизмах возникновения внутренних источников теплоты в частицах твердой дисперсной фазы при импульсном механическом нагружении. Установлено, что природа внутренних источников теплоты разнообразна. Они могут возникать вследствие диссипации энергии упругих деформаций, перемещения дефектов структуры (дислокаций) при пластических деформациях, высокоскоростного схлопывания локальных пустот и т.д. Проведенный анализ позволил сделать заключение о том, что внутренние источники теплоты имеют импульсный характер.
Далее последовательно сформулированы и решены методом интегральных преобразований Лапласа некоторые нестационарные краевые задачи теплопроводности для тел канонической формы (шара и неограниченной пластины) при граничных условиях третьего рода с учетом действия внутренних источников теплоты, порожденных импульсным механическим нагружением и потоком лучистой энергии. Решения задач теплопроводности, с учетом их значимости для практики инженерных расчетов совмещенных процессов в аппаратах интенсивного действия, даны в удобной форме для больших (Fo 0,1) и малых {Fo 0,1) времен осуществления процесса.
На основе принципов системно-структурного анализа построена структурная модель решения в изображениях по Лапласу задачи прогрева сферической частицы в потоке газа переменной температуры и с учетом действия внутренних источников теплоты. На базе структурной модели предложен метод идентификации коэффициента теплоотдачи а.
С помощью метода моментов проведен качественный анализ оптимального, по быстродействию, управления процессом нагрева частицы в потоке газа переменной температуры. Обоснован нестационарный подвод тепла к телам канонической формы.
В этой же главе сформулированы и методом дифференциальных рядов решены следующие задачи стефановского типа при граничных условиях третьего рода: сопряженная задача теплопроводности для шара с действующими в нем импульсными источниками теплоты и с перемещающейся границей химической реакции; задача теплопроводности для шара с действующими в нем внутренними источниками теплоты различной физической природы, осложненной фазовым переходом твердое тело-газ; сопряженная задача теплопроводности для бесконечной пластины с движущейся границей испарения в ней.
На базе теории случайных марковских процессов получены математические модели измельчения частиц дисперсной фазы гетерогенных систем в аппаратах периодического и непрерывно действия.
Третья глава посвящена анализу термообработки ряда гетерогенных систем при различных способах подвода энергии в конкретных совмещенных процессах. На основе качественного анализа структуры процесса измельчения - активации - фазового перехода (химической реакции) и сформулированных и решенных задач, перечисленных выше, разработаны обобщенные математические модели энергоресурсосберегающих совмещенных процессов: обжиг -измельчение - механоактивация, измельчение - механоактивация - сублимация, нагрев - сушка - отжим (активация).
Приводятся результаты расчетно-экспериментального исследования совмещенного процесса обжиг - измельчение - механоактивация. Показано, что получение высококачественной окиси кальция возможно в комбинированном реакторе - измельчителе, созданном на базе аппарата с псевдоожиженным слоем. Представлены: результаты проверки адекватности предложенного математического описания совмещенного процесса, инженерная методика расчета и аппаратурное оформление топохимической реакции, на примере разложения известняка, совмещенного с измельчением и механической активацией твердой дисперсной фазы.
Далее представлены результаты расчетно-экспериментальных исследований совмещенного процесса диспергирования - механоактивации - сублимации. Здесь приведены: описание схемы экспериментальной установки для комплексного изучения процессов термообработки, совмещенных с диспергированием и механоактивацией частиц твердой дисперсной фазы гетерогенных сред; описание методик экспериментальных исследований и характеристика выбранных объектов исследований (бензойной кислоты, дисперсных красителей «розовый «С» и «розовый Ж»). С помощью термогравиметрического исследования установлено, в частности, что их импульсное ударное нагруже-ние приводит к снижению энтальпии сублимации. Вьывлено, что энтальпия сублимации активированных механическим нагружением образцов с течением времени возвращается к исходным значениям, при этом, однако, не достигая их. Осуществлена поблочная проверка адекватности математического описания изучаемого совмещенного процесса. На основе математического описания совмещенного процесса измельчение - активация - сублимация разработан теоретически обоснованный метод расчета комбинированного ротор-но-импульсного аппарата интенсивного действия. Данный роторно-импульсный аппарат был использован при создании энергоресурсосберегающей экологически безопасной технологической системы колорирования волокнистых синтетически материалов.
В этой же главе приводятся результаты расчетно-экспериментальных исследований сложного процесса удаления растворителя из капиллярно-пористого материала (синтетической кожи) в токе перегретого водяного пара. Здесь представлены: физическая и математическая модели процесса удаления органического растворителя и воды, расчетные зависимости коэффициентов тепло- и массоотдачи для всех исследованных режимов обработки синтетической кожи; результаты проверки адекватности предложенной модели; схема лабораторной установки периодического действия, позволившая изучить кинетику удаления экстрагента в широком диапазоне температур (100-160С); инженерный метод расчета, эскизный вариант и описание комбинированной сушильной установки. Для интенсификации испарения растворителя в первой камере предусмотрены механические активаторы, позволяющие посредством обжимающего и пульсирующего воздействия на материал трех пар валков значительно увеличить скорость переноса влаги из макрокапилляров кожи на ее поверхность и в паровую среду.
Теплопроводность шара при граничных условиях третьего рода и внутренних источниках теплоты, порожденных ударным нагружением и потоком лучистой энергии
Перспективным направлением интенсификации тепло-массообменных и химических процессов в гетерогенных средах, таких как обжиг, является их совмещение с процессами измельчения и механической активации твердых частиц [4,146]. При этом удается добиться существенного увеличения скорости массо- и энергопереноса как за счет возрастания общей поверхности контакта взаимодействующих фаз, так и за счет комплекса физических, физико-химических эффектов, порождаемых механическим нагружением твердой фазы.
Среди данных эффектов следует особо выделить изменение энергии активации химического превращения [108, 4], обусловленного повышением плотности дефектов структуры (дислокаций, вакансий, пор, микротрещин), аномальное увеличение удельной площади поверхности внутренних границ раздела в полукристаллических материалах и скорости зернограничной диффузии, появление внутренних импульсных источников теплоты (связанное с высокоскоростным схлопыванием локальных пор, пустот), возникновение градиентов температур и давлений в объеме частицы и т.п. Кроме факторов, указанных выше, на явления массооэнергопереноса в аппаратах для осуществления совмещенных процессов значительное влияние оказывают выделение теплоты при деформациях газовой фазы и турбулентный характер течения газовзвеси. Доказано, что на "чистое" измельчение идет лишь 0,05-1% затрачиваемой энергии, большая ее часть аккумулируется в материале, изменяя его физико-химические, структурно-механические свойства [108, 147]. Исследования [4, 146] показали целесообразность производства тонкодисперсного оксида кальция именно в аппаратах типа реактор-измельчитель. Наиболее перспективным, на наш взгляд, является ударное измельчение частиц, разгоняемых высокоскоростными струями энергоносителя. Струя газа направляется в слой материала, подхватывая частицы твердого вещества. Такая двухфазная смесь представляет собой остронаправленный поток материала, который, встречаясь с противоположно направленным потоком, способствует резкому соударению частиц друг с другом. Такой характер контакта частиц гораздо более эффективен, нежели, например, истирание или размалывание. Энергетически выгодно производить измельчение обжигаемых частиц по границе раздела фаз СаСОз и СаО, т.к. механическая прочность частиц с 50% степенью обжига более чем в 5 раз меньше, чем прочность полностью прореагировавших частиц СаО. Удельная энергия на образование единицы поверхности снижается почти в 7 раз. Разрушение бикомпонентных частиц в процессе обжига, т.е. при температуре обжига, дает снижение удельной энергии е п 1 ; е более, чем в 1 , 5 раза.
Показано [146], что процесс разрушения образующегося слоя окиси кальция является лимитирующей стадией комбинированного процесса, и для увеличения производительности аппарата как по обжигу, так и по выходу тонкодисперсного продукта, необходимо интенсифицировать разрушение пленки СаО. Исследования показали [148], что это можно сделать, совмещая процесс истирания обжигаемых частиц в псевдоожиженном слое с ударным разрушением их в противоточных высокоскоростных двухфазных струях.
В соответствии со стратегией комплексного системного анализа [18] сложная физико-механическая и химическая система (ФМХС) процесса измельчения-обжига в реакторе - измельчителе может быть представлена в виде схем взаимно влияющих физических, химических и механических эффектов системы на трех иерархических уровнях.
На первом уровне иерархии рассматривается совокупность физико-химических и механических явлений, происходящих с частицей; на втором уровне - совокупность явлений в локальном объеме аппарата; на третьем уровне - явления, процессы, протекающие в аппарате в целом. На структурных схемах для удобства изложения обозначены индексом 1 -эффекты, относящиеся к несущей (газовой) фазе, а индексом 2 - к дисперсной (твердой) фазе. Наиболее существенным для понимания физико-механических эффектов, влияющих на процесс термического разложения, является первый уровень иерархии ФХМС, происходящих с частицей (рис.3.1.1). Исходной причиной измельчения частицы является внешняя механическая энергия (ВМЭ), которая расходуется на преодоление сил молекулярного притяжения (СМП, дуга 1), преодоление сил взаимодействия за счет химических связей (ХС, дуга 2), накопление энергии упругих деформаций (ЭУД, дуга 3). Энергия упругих деформаций частично переходит в пластические деформации (ПД, дуга 4), последние переходят в тепловую энергию (ТЭ, дуга 5) и трансформируются в структурно обусловлеинз о систему внутренних напряжений (СОСВН, дуга 6). Эффект СОСНВ определяется характером дефектов структуры твердой частицы, которые благодаря пластической деформации могут накапливаться, что способствует образованию миьфотрещин. Тепловая энергия расходуется на увеличение энергии дефектов структуры (дуга 7), на тепловую систему внутренних напряжений (ТСВН, дуга 8), на изменение энтальпии частицы (ИЭНТ», дуга 9). Энергия упругих деформаций частично диссипируется в тепло (ДТ2, дуга 10), выделяющееся при релаксации напряжений в обрабатываемом материале. Комплекс эффектов СМП, ЭУД, ХС, СОСВН, ТСВН определяет образование свободной поверхностной энергии (СПЭ, дуга 11), кинетической энергии осколков дробления (КЭ, дуга 12). Кроме этого он приводит к появлению (дуга 13) энергии аморфизации и структурных преобразований (ЭАСП), внутренних источников ультразвука ВИУ. В результате ЭАСП повышается энергия решетки, связанная с дислокациями и другими дефектами (ПЭР). В целом данный комплекс эффектов ЭАСП, ВИУ ПЭР составляет суш;ность процесса механоактивации (МА, дуга 14) [108]. Образование свободной поверхности в результате механического воздействия характеризуется вероятностью разрушения частицы данного размера (РАЗР, дуга 15) и образованием осколков дробления меньших размеров (ОБР, дуга 16). Механические эффекты РАЗР, ОБР оказывают влияние на перенос массы (дуга 17), энергии (18), импульса (дуга 19). Кроме того, на перенос массы, энергии, импульса влияют несовпадение температур и скоростей фаз. Температурная неравновесность фаз является следствием подвода внешней тепловой энергии (ВТЭ, дуга 20). Температурная неравновесность влияет на процесс измельчения (облегчает разрушение) (дуга 21), на процесс конвективного подвода теплоты к частице (дуга 22). Скоростная неравновесность обусловлена подводом внешней механической энергии (дуга 23). Влияние АТ и Av на перенос энергии отражено дугами 24, 25. Поток энергии ПЭ» обусловливает изменение энтальпии частицы (ИЭНТ2, дуга 26), а также других физических, термодинамических и механических характеристик твердой фазы: вязкости, плотности, температуры и др.(ФМХ2). Кроме того, на физико-химические свойства твердой фазы влияет процесс механоактива-ции (снижение энергии активации реакции, температуры начала реакции и т.д.) (дуга 27). Поток импульса сил ПИ2 формирует траекторию движения частиц (ТР2, дуга 28), что обусловливает возможность их столкновения (СТ2, дуга 29) и, как следствие, изменение потоков импульса и энергии частицы (дуги 30,31). В результате тепловых эффектов, обусловленных подводом внешней тепловой энергии (ВТЭ), тепловой энергии (ТЭ), образующейся в результате упругой (ДТ2) и пластической деформаций, частица получает количество теплоты (дуги 9,23), достаточное для процесса разложения частицы (ХР, дуга 32).
Обобщенное математическое описание совмещенного процесса обжига - измельчения - механоактивации
Третий уровень обобщенного математического описания совмещенного процесса гетерогенной химической реакции требует развития представлений о гидродинамической структуре потоков в аппарате комбинированного действия. В свою очередь гидродинамическая обстановка в аппарате определяется его принципиальной конструкцией. Поэтому данный вопрос рассматриваем в этой главе.
На рис.3.1.4 представлена принципиальная схема аппарата комбинированного действия для термического обжига карбонатного сырья, измельчения и классификации получаемых продуктов [150].
Аппарат работает следующим образом: исходное сырье поступает в реакционного камеру аппарата 2, где приводится в пседоожиженное состояние горячим газом, поступающим из топочной камеры 4 через газораспределительную решетку 5. Одновременно через систему сопел 3 подается сжатый воздух, истекающий в слой материала с околозвуковой скоростью. Частицы материала, подхваченные струей газа, разгоняются до критических скоростей, необходимых для измельчения. Измельчение происходит при столкновении частиц друг с другом в противоположно направленных двухфазных потоках, образованных высокоскоростными струями энергоносителя. В реакционной камере аппарата образуется фонтанирующий слой материала.
Частицы, измельченные до требуемого размера, уносятся потоком газа через выходной патрубок 1, не измельченный материал возвращается в слой, где заново подхватывается струями энергоносителя. Классификация частиц осуществляется при помощи инерционно-пневматического классификатора 6, который может иметь различную конструкцию. В той части аппарата, где размещаются высоконапорные сопла, может быть предусмотрено использование накопительных карманов, в которых аккумулируется обрабатываемый материал.
Основными задачами расчета аппарата комбинированного типа являются: нахождение среднего времени пребывания обрабатываемых частиц в аппарате; определение производительности по тонкодисперсному продукту, а также габаритных размеров аппарата.
Сложность расчета заключается в том, что все технологические процессы, протекающие в данном аппарате, взаимосвязаны и взаимозависимы и осуществляются одновременно. К тому же до установления баланса между приходом сырья в аппарат и расходом готового продукта, наблюдается нестационарный режим работы аппарата.
В общем случае последовательность расчета комбинированного аппарата данного типа может быть построена только на основе обобщенного математического описания совмещенного процесса гетерогенная химическая реакция - измельчение - механоактивация, разработанного нами в п.3.1.2. Последовательность расчета аппарата представлена в виде блок-схемы на рис.3.1.5.
Описание гидродинамической обстановки в аппарате сводится к моделированию процессов в различных зонах, которые можно выделить внутри аппарата [150]. Наиболее характерные зоны - это высоконапорная двухфазная струя - I, ядро столкновения противоточных струй - II, псевдоожиженный слой - III, зона сепарации - IV. Физическая модель процесса в аппарате с выделением характерных зон представлена на рис. 3.1.6.
При описании гидродинамики каждой из этих зон необходимо знание гранулометрического состава зернистого материала в каждой зоне. Расчет ведется поэтапно в соответствии с моделью измельчения, предложенной нами в п.2.5. Заметим, что время до установления стационарного режима разбивается при этом на п временных отрезков, кроме того, учитывается структура потоков твердых частиц между характерными зонами аппарата. Структура потоков дисперсной фазы представлена на рис. 3.1.7.
Для расчета гранулометрического состава зернистого материала при однократном нагружении его в ядре измельчения необходимо знать скорости газовой и твердой фаз, количество частиц твердого материала, находящегося в струе, вероятность столкновения частиц друг с другом и вероятность разрушения при их столкновении.
Для описания гидродинамики двухфазной струи, состоящей из газа и частиц твердого материала, использовали « модель дрейфа», т.е. рассматривали движение сплошной и дисперсной фаз независимо друг от друга. Предложили следующую методику расчета гидродинамических характеристик круглой осесимметричной затопленной струи газа. Для определения количества газа, увлекаемого струей из окружающего псевдоожиженного слоя, воспользовались аналогией между свободно истекающей высоконапорной струей и струйным компрессором [151]. На начальном участке струи вследствие расширения потока происходит падение давления внутри струи при сохранении постоянной скорости вдоль оси распространения. Именно на этом участке распространения струи происходит подсос газа из окружающего слоя, а далее начинается развитие уже смешанной струи. Считали, что привлечение сплошной фазы из окружающего слоя происходит через коническую поверхность, образованную струей рабочего газа.
Разработка химико-технологической системы парофазного крашения текстильных материалов
Для исследования процессов, протекающих при комбинированной переработке минерального сырья, на кафедре МАХП ИГХТУ были разработаны следующие аппараты: струйный измельчитель-активатор (и, одновременно, классификатор) частиц дисперсной фазы во взвешенном слое - «холодная модель»; комбинированный аппарат измельчитель-реактор, в котором упомянутые выше процессы совмещены с обжигом частиц - «горячая модель».
Разработанный для экспериментальных исследований струйный измельчитель представлен на рис.3.1.18. Он состоит из прямоугольного сварного корпуса 2, к которому приварены штуцер 7 для подачи исходного материала и штуцер для удаления из аппарата пылегазовой смеси. В передней стенке корпуса предусмотрено смотровое окно 3 для визуального наблюдения за процессом измельчения. В нижней части аппарата находится газораспределительная решетка 6. Высоконапорные сопла для подачи сжатого газа 9 укрепляются внутри полых металлических трубок 4 для того, чтобы имелась возможность менять расстояния между соплами по горизонтальной оси. Сопла также имеют возможность перемещаться в вертикальной плоскости, для этого корпус снабжен пластинами 5 с прорезями. Внутри струйного измельчителя укреплен инерционный классификатор 8, положение которого по высоте можно регулировать.
Общая схема лабораторной установки приведена на рис. 3.1.19. Установка работает следующим образом. Сырье поступает в бункер исходного материала 1, откуда через питатель 2 по системе трубопроводов направляется непосредственно в измельчитель 3 с псевдоожиженным слоем зернистого материала. При истечении в слой высокоскоростных струй воздуха происходит подсос частиц материала из слоя в струю, где они разгоняются до момента столкновения друг с другом во встречном двухфазном потоке. В среднем сечении аппарата образуется фонтанирующий слой, в который выбрасываются частицы материала из зоны столкновения. Частицы, достигшие необходимого размера, уносятся потоком отходящего газа, а крупные (неизмельченные) частицы попадают в рецикл и вновь поступают на повторное измельчение. Выходящий пылегазовый поток поступает в циклон 4, где происходит частичное (около 85%) отделение материала от газа. Более полная очистка (около 95%) газа от твердого материала происходит в рукавном фильтре 5, откуда газ с оставшимися пылевидными частицами уносится вентилятором 6 в атмосферу.
Экспериментальное исследование струйного аппарата заключалось в измерении скоростей газовой и твердой фазы по длине и по сечению струи, изучении процесса измельчения частиц твердого материала при однократном нагружении в ядре измельчения и изучении влияния конструктивных параметров на работу зоны интенсивного измельчения.
Исследование гидродинамики двухфазной струи проводилось следующим образом. Измеряли скорости газа с помощью трубок Пито-Прандтля. Замеры проводились на различных расстояниях от газораспределительной решетки, на различных участках по оси распространения струи, а также, на различной высоте внутри факела струи. Данные, полученные в ходе эксперимента, подробно изложены в совместной работе 150]. На рисунках 3.1.20., 3.1.21. представлено изменение скорости газовой фазы вдоль оси струи и по сечению струи, а на рисунках 3.1.22, 3.1.23 - изменение скорости твердой фазы по сечению и по длине струи.
Для определения скоростей твердых частиц в струе применяли специальный датчик, виброметр и осциллограф. Датчик представляет собой вибропреобразователь, который имеет цилиндрическую форму и состоит из сейс-мопремника, расположенного в стальном корпусе. Принцип работы датчика состоит в том, что при контакте штока сейсмоприемника с объектом (частицей) происходит смещение подвесной системы относительно магнитопрово-да. В качестве модельного материала использовали частицы полипропилена размером 2,5 и 2 мм. По данным, полученным в ходе эксперимента, построены графики, приведенные на рис. 3.1.22, 3.1.23, 3.124, 3.1.25. Анализ экспериментальных данных позволил сделать ряд выводов: 1. Частицы внутри струи движутся пакетами или порциями. 2. Наибольшее количество ударов приходится на участок струи, отстояш;ий от среза сопла на расстоянии 100 мм. Максимальная частота ударов лежит в пределах от 60 до 150 мм от среза сопла. Таким образом, оптимальное расстояние между напорными соплами в струйном измельчителе находится в пределах 120-300 мм. 3. Максимальная скорость твердых частиц наблюдается в центре струи. При отклонении от оси струи скорость резко падает. 4. Концентрация частиц по длине струи меняется по экспоненциальному закону с максимумом при удалении от сопла на 100 - 120 мм. 5. Порозность и плотность струи на оси струи минимальна, по м е р е у д а л е -ния от оси увеличивается, а вблизи границы факела вновь уменьшается, т.е. наиболее плотные слои частиц твердого материала располагаются кольцом, диаметр которого по мере удаления от среза сопла увеличивается. Анализ представленных зависимостей показал, что расхождение расчетных и экспериментальных данных для скоростей газовой фазы составляет в среднем около 8%, а для скоростей частиц твердой фазы - около 10%. Исследования гранулометрического состава зернистого материала при измельчении проводились следующим образом. Сначала осуществляли подготовку испытуемого сырья для измельчения путем рассеивания его через сито с целью получения монодисперсного исходного материала, а также для разделения его на ряд узких фракций для дальнейших исследований. Эксперимент проводился при разных диаметрах сопел: 1) 4 мм, 2) 8 мм. После измельчения осуществляли анализ готового продукта, т.е. вторично разделяли материал на фракции и сравнивали полученный грансостав с первоначальным. Результаты эксперимента представлены на рис. 3.1.26. Здесь же приведены кривые грансостава, рассчитанные по предлагаемой модели. Наибольшее расхождение между расчетными и экспериментальными данными составляет 10%.
Похожие диссертации на Моделирование совмещенных процессов термообработки гетерогенных систем, интенсифицированных комбинированным подводом энергии
