автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Струйная противоточная мельница с дополнительным подводом энергоносителя

Введение.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ ТОНКОГО И СВЕРХТОНКОГО ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ.

1.1 .Оборудование, применяемое для тонкого и сверхтонкого измельчения.

1 ^.Классификация струйных мельниц.

1.2.1. Мельницы с плоской помольной камерой.

1.2.2. Мельницы с вертикальной трубчатой помольной камерой.

1.2.3. Мельницы с противоточной помольной камерой.

1.3.Выбор рациональной конструкции струйной мельницы.

1.4.Существующие методики расчета струйных противоточных мельниц.

1.5.Цель и задачи исследований.

1.6.Вывод ы.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДВИЖЕНИЯ ДВУХКОМПОНЕНТНОЙ СМЕСИ В РАЗГОННОМ УЗЛЕ СТРУЙНОЙ ПРОТИВОТОЧНОЙ МЕЛЬНИЦЫ.

2.1. Основные положения.

2.2. Процесс движения двухкомпонентной смеси в разгонной трубке.

2.2.1. Дифференциальные уравнения, описывающие процесс изменения скорости частиц и энергоносителя, давления и плотности в разгонной трубке.

2.2.2. Приближенное решение системы дифференциальных уравнений процесса движения двухкомпонентной смеси в разгонной трубке.

2.2.3. Вывод уравнения движения энергоносителя в разгонной трубке без частиц.

2.2.4. Анализ аэродинамических характеристик по длине разгонной трубки.

2.3. Движение двухкомпонентной смеси в конфузоре устройства

ДКПЭ.

2.3.1. Динамика твердых частиц в конфузоре устройства

ДКПЭ.

2.3.2. Определение аэродинамических параметров при движении одной фазы.

2.3.3. Характер изменения аэродинамических параметров по длине разгонного узла.

2.4 Движение дополнительного энергоносителя по кольцевому каналу устройства ДКПЭ.

2.5 Выводы.

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Основные положения экспериментальных исследований.

3.2. Описание экспериментальной установки, применяемого оборудования и средств контроля.

3.3. Характеристика исследуемого материала.

3.4. План многофакторного эксперимента для определения эффективности процесса измельчения.

3.5. Выводы.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОТИВОТОЧНОЙ СТРУЙНОЙ МЕЛЬНИЦЫ, ОСНАЩЕННОЙ дкпэ.

4.1. Исследование аэродинамических параметров разгонного узла противоточной струйной мельницы, оснащенной устройством ДКПЭ.

4.2. Исследование влияния основных параметров на эффективность процесса измельчения в струйной противоточной мельнице, оснащенной ДКПЭ.

4.3. Выбор рационального режима процесса измельчения в струйной противоточной мельнице.

4.4 Методика расчета противоточной струйной мельницы.

4.5 Промышленное внедрение.

4.6. Расчет экономической эффективности струйной противоточной мельницы.

4.7. Выводы.

Рыночные условия, сложившиеся в настоящее время в Российской Федерации, накладывают отпечаток на работу всех отраслей промышленности, ужесточают цены на энергоресурсы, которые, как известно, определяют себестоимость выпускаемой продукции. Рост расходов на топливно-энергетические цели автоматически приводит к повышению стоимости производства строительных материалов, без которых невозможно представить себе ни одной отрасли народного хозяйства.

В современной технологии производства строительных и отделочных материалов, резинотехнической, радиотехнической, полимерной, электротехнической промышленностях тонкодисперсные порошки являются основным компонентом, который главным образом влияет на качество готовой продукции [66].

Тонкость помола материалов имеет важное значение для интенсификации различных технологических процессов. Например, увеличение тонкости помола цемента на 60 - 70 % позволяет почти вдвое повысить его марку и сократить время твердения, что дает существенную экономию при изготовлении изделий на основе цемента [15,34].

Следует отметить, что получение качественных сверхтонких порошков затруднено в следствии абразивности и высокой прочности измельчаемых материалов, которые вызывают высокий износ мелющих тел и других частей помольного агрегата, что приводит к повышению стоимости процесса измельчения, а так же к получению некачественного, загрязненного продукта.

Однако с увеличением дисперсности получаемого продукта, производительность падает при одновременном увеличении энергозатрат [7,8]. Согласно данным [31,83] в целом энергозатраты на измельчение различных материалов достигают 20 % от общего энергопотребления.

Таким образом, возникает необходимость проведения целенаправленных исследований по определению взаимосвязи между подводимой энергией, характеристиками самого измельчителя и качеством получаемого продукта.

Наличие целого класса машин тонкого и сверхтонкого помола, выдвигает ряд первостепенных вопросов о возможности получения высококачественного тонкодисперсного порошка, незагрязненного продуктами износа и получаемого с меньшими затратами.

Наиболее перспективным методом тонкого и сверхтонкого помола, нашедшим промышленное применение, является струйный метод измельчения [9,75,77].

Принцип действия струйных мельниц основан на использовании энергии сжатого газа. Последний при расширении приобретает высокую скорость, используемую для разгона частиц измельчаемого материала. Разрушение частиц происходит вследствие их лобового столкновения друг с другом или о преграду. Одновременно с разрушением происходит и классификация измельчаемого материала.

Данный метод позволяет использовать преимущества высокоскоростного избирательного измельчения многокомпонентных смесей материалов. Достоинствами этого метода являются низкая материалоемкость, максимально четкая классификация частиц по размерам, возможность совмещения измельчения с другими процессами (химическая обработка, сушка, обжиг), отсутствие движущихся частей [10,11].

На наш взгляд, одним из самых перспективных типов таких мельниц являются противоточные струйные мельницы. В дополнение к вышеперечисленным достоинствам они обладают следующими преимуществами: простота конструкции, относительно невысокий расход энергоносителя из-за малого количества рабочих сопел (два сопла), а так же экологичность таких мельниц. Однако при всех этих положительных чертах присутствуют и недостатки, которые ограничивают применение данных мельниц. Это, прежде всего, относительно высокая энергонапряженность процесса измельчения [58,59,94], а так же несовершенство конструктивных элементов, которые нуждаются в доработках. Кроме того, в теоретической части есть значительное количество вопросов, которым не уделено должного внимания, а существующие теории расчета имеют незавершенный характер [1,78,90].

Все перечисленное выше, позволяет сделать вывод об актуальности данной проблемы и определяет цель настоящей работы: разработка методик и математического аппарата для расчета конструктивно-технологических параметров усовершенствованного разгонного узла струйной противоточной мельницы, обеспечивающего повышение эффективности процесса получения высокодисперсных порошков.

В качестве рабочей гипотезы положено, что низкая эффективность работы струйной противоточной мельницы может быть значительно повышена путем рациональной организации потока двухфазной смеси в разгонном узле.

Главная научная идея заключается в следующем. Поскольку при выходе из разгонной трубки двухфазный поток (сжатый воздух и материал) расширяется в виде факела, вследствие чего снижается скорость потока и направление движения частиц. Исключение данного явления возможно за счет обжатия потока сжатым воздухом.

Поскольку явления в газодисперсной среде значительно сложнее, чем в однофазной жидкости, при исследовании эффективности процесса измельчения эксперимент должен играть особенно важную роль.

В ряде практически важных случаев возможно создание математической модели процесса (системы дифференциальных уравнений), которая, отличаясь, в силу принятых допущений, от реального процесса позволяет получить как некоторые интегральные эффекты, так и изучить детали исследуемого процесса движения частиц в широком диапазоне изменения определяющих параметров. Численные методы при использовании современной вычислительной техники дают возможность существенно снизить число принимаемых упрощений и повысить достоверность получаемых результатов. Надежность полученной модели к степени адекватности ее реальному процессу позволяет дополнить математическое описание и применять его для расчета оптимизации аппаратов.

Исходя из изложенного, в работе для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ конструкций струйных противоточных мельниц, выяснить их достоинства и недостатки, а так же основные пути совершенствования данного класса машин.

2. Разработать новую конструкцию струйной противоточной мельницы, оснащенной устройством дополнительного кольцевого подвода энергоносителя (в дальнейшем ДКПЭ).

3. Рассмотреть основные аэродинамические характеристики и процессы, протекающие в предлагаемой системе разгона материала в струйной противоточной мельнице.

4. Установить методом планирования многофакторного эксперимента регрессионные зависимости производительности струйной противоточной мельницы, величины удельной поверхности и удельных энергозатрат от входных конструктивно-технологических факторов.

5. Провести экспериментальную проверку в лабораторных условиях разработанной методики расчета и теоретических моделей.

6. Разработать методику расчета конструктивно - технологических параметров струйной противоточной мельницы, в частности для предлагаемой системы разгона частиц.

7. Апробировать в производстве патентно-чистую конструкцию струйной противоточной мельницы, оснащенной устройством ДКПЭ.

Научная новизна работы представлена математической моделью движения двухкомпонентной смеси в разгонной трубке; системой уравнений, описывающей процесс изменения скорости частиц и воздуха, давлений и плотности при движении двухфазного потока в конфузоре, уравнениями, отражающими характер движения дополнительного энергоносителя по кольцевому каналу устройства ДКПЭ, системой уравнений для определения движения частицы относительно воздуха, результатами экспериментальных исследований, позволяющих определить оптимальные соотношения для конструктивных и технологических параметров.

Практическая ценность работы заключается в методике расчета и соответствующего программного обеспечения определения основных технологических и конструктивных параметров процесса разгона частицы не только в представленной конструкции, но и в любой другой струйной противоточной мельнице, и рекомендациях по выбору рациональных технологических режимов работы струйных мельниц, оснащенной устройством ДКПЭ. По результатам работы разработана новая конструкция струйной противоточной мельницы, оснащенной устройством ДКПЭ, внедрение, которой обеспечивает повышение эффективности процесса измельчения на 20%.

Реализация работы. Диссертационная работа проводилась в БелГТАСМ в рамках выполнения г/б НИР: «Исследование аэродинамических параметров противоточных струйных мельниц замкнутого цикла с целью оптимизации конструктивных элементов (трактов транспортировки и сепарации) продуктов измельчения»; «Разработка научных основ получение мелкодисперсных порошков в аппаратах с повышенной энергонапряженностью». Основные результаты исследований докладывались на научно технических конференциях, проводимых в БелГТАСМ: II Международная научно-практическая конференция-школа-семинар молодых ученых, аспирантов и докторантов «Сооружения, конструкции, технологии и строительные материалы XXI века», Белгород, -1999, Международная научно-практическая конференция «Качество, безопасность, энерго - и ресурсосбережение в промышленности строительных материалов и строительстве на пороге XXI века», Белгород, - 2000, Международная научно-практическая конференция «Проблемы производства и использования мела в промышленности и сельском хозяйстве», Белгород, -2001, а также в других городах России: Международная научно-техническая конференция «Вопросы проектирования, эксплуатации технических систем в металлургии, машиностроении, строительстве», Старый Оскол, - 1999,

Международная научно-техническая конференция «Интерстроймех - 2001», Санкт-Петербург, - 2001.

Публикации. По результатам работы опубликовано 11 печатных работ, оформлена заявка на изобретение.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, содержащего основные результаты и выводы. Работа включает 184 страницы, в том числе 151 страница машинописного текста, 10 таблиц, 67 рисунков, список литературы из 116 наименований и 6 приложений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Анализ основных направлений развития и совершенствования техники и технологий струйного измельчения зернистых материалов показал, что одним из перспективных способов в данной области получения сверхтонких порошков высокого качества является разработка и совершенствование существующих конструкций противоточных струйных мельниц на основе уточнения методик расчета их технологических и конструктивных параметров с учетом двухфазной структуры газопылевого потока.

2. На уровне изобретения разработана принципиально новая конструкция струйной противоточной мельницы, оснащенная устройством ДКПЭ, позволяющая интенсифицировать процесс измельчения зернистых материалов.

3. На основании теоретических и экспериментальных исследований разработана методика расчета аэродинамических и конструктивных характеристик разгонной трубки струйной противоточной мельницы; разработана аналитическая методика для расчета разгонного узла новой конструкции струйной мельницы.

4. В лабораторных условиях произведена экспериментальная проверка разработки методики расчета и теоретических моделей.

5. Методом планирования полнофакторного эксперимента установлены регрессионные зависимости производительности £), величины удельной поверхности получаемого продукта 5 и удельных энергозатрат от конструктивно-технологических параметров: давления основного энергоносителя Роси, МПа; давления дополнительного энергоносителя Рдоп, МПа; площади канала дополнительного подвода энергоносителя Б, мм ; угола конусности конфузора К, град. В результате установлена общая область оптимумов по выходным параметрам для (¿^ 6,53 кг/ч при Р0сн = 0,25МПа, Рдоп = 0,ЗМПа, ^ = 292мм2, К=13°, при Росн = 0,35МПа, Рдоп = 0,ЗМПа, F = 292мм2, К=13° <2 = 7,33кг/ч; для 8: при Рош = 0,25МПа, Рдоп =

142

0,21МПа, ^ = 292мм2, К=13°, 8=600м2/кг, при Росн = 0,35МПа, Рдоп = 0,35МПа, ^ = 292мм2, К=13° 5 = 670м2/кг, для q^. q= 11 кг/кг при Росн = 0,2МПа, Рдоп = 0,2МПа, Р = 292мм2, К=13°, кг/кг при Ржн = 0,35МПа, Рдоп = 0,35МПа, Р = 292мм2, К=13°

6. Рекомендуемый режим работы струйной противоточной мельницы выглядит так: Росн = 0,35МПа, Рдоп = 0,ЗМПа, Р = 292мм2, К=13°

7. Усовершенствована конструкция струйной противоточной мельницы, которая была внедрена в производство и расчетная годовая прибыль от внедрения составила 400 тыс. рублей.

1. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. Изд. 3-е. - М.: Наука, 1969. - 824 с.

2. Абрамович Г.Н., Гришкович Т.А. и др. Теория турбулентных струй. Изд. 2-ое. М.: Наука, 1984. - 717с.

3. Авторское свидетельство № 1565509 кл. В02 С19/06, 1990 г.

4. Авторское свидетельство № 1599094 кл. В02 С19/06, 1991 г.

5. Авторское свидетельство № 1733098 кл. В02 С19/06, 1988 г.

6. Авторское свидетельство № 200155 кл. В02 С19/06, 1992 г.

7. Акунов В.И. Струйное измельчение горных пород.// Горный журнал, 1985. -№4. С.35 - 38.

8. Акунов В.И. Струйные мельницы. Изд. 2-ое. М.: Машиностроение, 1967, -264 с.

9. Акунов В.И. Струйные мельницы. Теория. Рациональный типаж. Применение. Автореф. дис. . докт. техн. наук. М.: МИСИ, 1989. - 44с.

10. Акунов В.И. Струйные мельницы. Элементы теории и расчета. М.: Машгиз, 1962. 264 с.

11. Акунов В.И. Экспериментальные исследования установок для тонкого измельчения с противоточными струйными мельницами. М.: ВНИИНСМ, 1961.-229 с.

12. Альтшуль А.Д., Киселёв П.Г. Гидравлика и аэродинамика .М.: Стройиздат. 1975.-385 с.

13. Андреев С.Е. и др. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых. «Недра», 1966. 284 с.

14. Андреев С.Е., Перов В.А., Зверевич В.В. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых. М.: Недра, 1980. - 415 с.

15. Банит Ф.Г., Несвижский O.A. Механическое оборудование цементных заводов. Машгиз, 1967. 387 с.

16. Барский М.Д. «Фракционирование порошков» М.: Недра, 1980. - 327с.

17. Барский M. Д., Ревнивцев В.И., Соколкин Ю.В. Гравитационная классификация зернистых материалов. M.: Недра, 1974. 232 с.

18. Батурин В.В. Основы промышленной вентиляции. М.: Промиздат, 1990. -433 с.

19. Бауман В.А., Клушанцев Б.В., Мартынов В.Д. Механическое оборудование предприятий строительных материалов изделий и конструкций. М.: Машиностроение, 1981. - 324 с.

20. Богданов B.C., Булгаков С.Б., Митич Виденович Я.Н. Противоточная струйная мельница с дополнительным подводом энергоносителя (ДКПЭ).// Международная научно-техническая конференция «Интерстроймех -2001», Санкт-Петербург. С. 111-113.

21. Богданов B.C., Катаев Е.Ф., Воробьев Н.Д., Шаблов A.C. Мельницы сверхтонкого измельчения. Учебное пособие. Белгород.: БТИСМ, 1988. - 86с.

22. Богданов B.C., Несмеянов Н.П., Пироцкий В.З., Морозов А.И. Механическое оборудование предприятий промышленности стройматериалов. Белгород 1998. 180с.

23. Бокштейн С.Я. Теоретическое и экспериментальное исследование процесса разделения сыпучих материалов в роторных центробежно-противоточных классификаторах. Автореф. дис. . канд. техн. наук. - М.: ВНИИНСМ, 1965,-20 с.

24. Бородский В.З. Введение в факторное планирование эксперимента. М.: Недра, 1976. - 196 с.

25. Буссройд Р. Течение газа со взвешенными частицами. М.: Мир, 1975. 373 с.

26. Белецкий Р.К., Гричина H.H. Изменение параметров пылегазовых потоков в чёрной металлургии. М.: Металлургия, 1979.- 80 с.

27. Гийо Р. Проблема измельчения и ее развитие. М.: Стройиздат, 1964. - 112 с.

28. Горобец В.И., Горобец Л.Ж. Новое направление работ по измельчению.-М. Недра, 1977.- 180 с.

29. Дегтяренко В.Н. Оценка эффективности инвестиционных проектов. М.: Экспертное бюро, 1997 г. - 560 с.

30. Дешко Ю.И, Креймер М.Б., Крыхтин Г.С. Измельчение материалов в цементной промышленности. М.: Наука, 1983. С. 25.

31. Дубовский И.Е., Климов И.И. Метод расчёта пылеуловителей и сепараторов пыли пылеприготовительных установок. Энергомашиностроение, 1960, №6.-С. 21-25.

32. Жигулев В.Н., Тумин A.M. Возникновение турбулентности. Динамическая теория возбуждения и развития неустойчивости в пограничных слоях. -Новосибирск.: Наука, 1987. 280 с.

33. Зверев Н.И., Ушаков С.Г. Методика оценки эффективности сепарации пыли. Электрические станции, 1968, №11, С. 6 9.38