автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Струйная мельница с плоской помольной камерой

Введение.

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

1.1. Оборудование, применяемое для сверхтонкого измельчения материалов.

1.2. Струйные мельницы: классификация, конструкции, направления развития.

1.2.1. Струйные мельницы с вертикальной трубчатой камерой.

1.2.2. Струйные мельницы с противоточной помольной камерой

1.2.3. Струйные мельницы с плоской помольной камерой.

1.3. Выбор рациональной конструкции струйной мельницы.

1.4. Существующие методики расчета струйных мельниц с плоской помольной камерой.

1.5. Выводы.

1.6. Цель и задачи исследований.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДВИЖЕНИЯ ДВУХКОМПОНЕНТНОЙ СМЕСИ В ВИХРЕВОЙ ПОМОЛЬНОЙ КАМЕРЕ

2.1. Основные положения

2.2. Распределение скорости воздуха в вихревом потоке.

2.3. Разработка методики аэродинамического расчета вихревой помольной камеры.

2.4. Математическое моделирование движения частиц в помольной камере вихревой мельницы.

2.5. Прогнозирование эксплуатационных характеристик вихревой помольной камере.

2.6. Выводы.

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ СТРУЙНОЙ МЕЛЬНИЦЫ С ПЛОСКОЙ ПОМОЛЬНОЙ КАМЕРОЙ.

3.1. Основные положения экспериментальных исследований.

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

3.3. Физико-механические и химические свойства исследуемого материала.

3.4. Планирование эксперимента.

3.5. Выводы.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУЙНОЙ МЕЛЬНИЦЫ С ПЛОСКОЙ ПОМОЛЬНОЙ КАМЕРОЙ

4.1. Исследования аэродинамических параметров струйной мельницы с плоской помольной камерой.

4.2. Исследования влияния основных параметров на эффективность измельчения струйной мельницы с плоской помольной камерой.

4.3. Анализ влияния основных параметров на эффективность процесса измельчения и основные закономерности.

4.4. Выводы.

ГЛАВА 5. РАСЧЕТ КОНСТРУКТОРСКО- ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СТРУЙНОЙ МЕЛЬНИЦЫ С ПЛОСКОЙ ПОМОЛЬНОЙ КАМЕРОЙ.

5.1. Методика расчета конструктивных параметров струйной мельницы с плоской помольной камерой.

5.2. Выбор рационального режима процесса измельчения.

5.3. Устройство для вихревого измельчения материалов.

5.4. Выводы.

В связи с переходом строительной индустрии на рыночные отношения и ведением строительства в условиях жесткой конкуренции отечественных материалов с зарубежными, предъявляются повышенные требования к физико-механическим и эксплуатационным свойствам отделочных материалов.

Промышленность предъявляет особо высокие требования к дисперсности получаемых материалов. Особенно высокой степенью дисперсности должны обладать порошки, используемые в качестве наполнителей при производстве пластмасс, резины, бумаги, картона, красок; эмалей, лаков и т.д.

Для производств, применяющих порошковые материалы, кроме дисперсности, большое технологическое значение имеет такое качество порошков как чистота основного продукта.

Большинство продукции, выпускаемой промышленностью, содержит в своем составе высококачественные и высокодисперсные порошковые материалы и, как результат, изделия обладают хорошими показателями прочности, твердости и долговечности.

Необходимость повышения дисперсности строительных и других материалов потребовала совершенствования и создания новых типов помольных агрегатов. Актуальность исследований в этой области определяется большим влиянием степени измельчения на технологические свойства материалов. Однако с увеличением дисперсности получаемого продукта производительность измельчителя снижается при одновременном повышении энергозатрат [10, 105].

Способы обработки и машины, применяемые для измельчения, как и режимы их работы, подбирают с учетом требований минимального загрязнения измельчаемого материала продуктами износа. При этом предусматривают также условия получения достаточно дисперсных и однородных по гранулометрическому составу порошков.

Таким образом, важной научной задачей является необходимость увеличения производительности оборудования для получения высококачественных тонкодисперсных порошков и при этом экономии энергетических и материальных затрат при производстве соответствующего продукта.

В связи с этим, возникает необходимость проведения дальнейших исследований, устанавливающих взаимосвязь между расходуемой энергией, характеристиками самого измельчителя и качеством получаемого продукта.

Наиболее перспективным методом тонкого и сверхтонкого помола, нашедшим промышленное применение, является струйный метод измельчения материалов [10, 92, 105].

В струйных мельницах реализуется способ высокоскоростного измельчения материалов. Высокие скорости измельчения, до нескольких сотен метров в секунду, достигаются при условии ускорения частиц в струях сжатого воздуха, пара или газа [10, 92, 105]. Измельчение материала осуществляется либо при столкновении частиц материала друг с другом, либо о стенки помольной камеры. Одновременно с измельчением происходит классификация получаемых порошков.

Реализуемый в струйных мельницах способ высокоскоростного измельчения имеет ряд преимуществ. Достоинствами этого способа являются максимально четкая классификация частиц по размерам, отсутствие движущихся частей, низкая материалоемкость, возможность совмещения измельчения с сушкой и обжигом материала [10, 92, 105].

На наш взгляд, одним из самых перспективных типов струйных мельниц являются струйные мельницы с плоской помольной камерой. Они обладают рядом преимуществ: простотой конструкции, экологичностью.

Однако, относительно высокая энергонапряженность процесса измельчения в таких мельницах [75, 105] и несовершенство конструкции элементов сильно сдерживают их применение.

Кроме того, не существует теорий расчета и конструирования струйных мельниц с плоской помольной камерой из-за значительных трудностей, связанных с экспериментальными исследованиями [10, 12, 92].

Настоящая работа выполнена в БелГТАСМ в рамках выполнения г/б НИР: «Моделирование режима работы аэродинамической мельницы»( 1999г.). «Разработка научных основ получения мелкодисперсных порошков в аппаратах с повышенной энергонапряженностью»(1998-2002г.г.).

Цель работы. Целью работы является исследование аэродинамических характеристик и разработка методик расчета конструктивно-технологических и энергетических параметров струйной мельницы с плоской помольной камерой с учетом двухфазной структуры измельчаемых потоков, обеспечивающих повышение эффективности процесса получения высокодисперсных порошков.

Объект исследования. Объектом исследования являются процессы движения двухфазного потока (сжатый воздух и материал), происходящие в помольной камере струйной мельницы, а также её конструктивно-технологические и энергетические параметры. В работе, для достижения поставленной цели, необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ конструкций струйных мельниц с плоской помольной камерой, выяснить их достоинства и недостатки, а также основные пути и направления совершенствования данного класса машин.

2. Разработать новую конструкцию струйной мельницы с плоской помольной камерой.

3. Рассмотреть основные аэродинамические характеристики и процессы, протекающие в струйной мельнице с плоской помольной камерой.

4. Установить методом планирования многофакторного эксперимента регрессивные зависимости производительности, средневзвешенного диаметра частиц и количества расходуемого энергоносителя от конструктивно-технологических факторов.

5. Провести экспериментальную проверку разработанной методики математической модели процесса измельчения в струйной мельнице.

6. Разработать методику расчета конструктивно-технологических параметров струйной мельницы с плоской помольной камерой.

Научная новизна работы представлена математической моделью в виде системы уравнений, описывающих процесс изменения скорости частиц и энергоносителя, давления и плотности в помольной камере, уравнениями, устанавливающими зависимость энергозатрат от дисперсности продукта измельчения и измельчаемого материала; результатами экспериментальных исследований, позволяющих получить рациональные конструктивные и технологические параметры струйной мельницы с плоской помольной камерой.

Практическая ценность работы заключается в разработке методики расчета и определении основных аэродинамических и конструктивных параметров струйной мельницы с плоской помольной камерой; рекомендациях по выбору рациональных технологических режимов работы струйной мельницы с плоской помольной камерой. По результатам работы разработаны две новые конструкции струйных мельниц с плоской помольной камерой, внедрение которых обеспечивает повышение качества продукта.

Реализация работы. Основные результаты исследований докладывались на научно-технических конференциях, проводимых в БелГТАСМ: II Международной научно-практической конференции - школе-семинаре молодых ученых, аспирантов и докторантов «Сооружения конструкции технологии и строительные материалы 21 века», Белгород, - 1999; Международной научно-практической конференции «Качество, безопасность, энерго- и ресурсосбережение в промышленности строительных материалов и строительстве на пороге XXI века», Белгород. - 2000; Международной научно-практической конференции «Проблемы производства и использования мела в промышленности и сельском хозяйстве», Белгород. - 2001; а также: Международной научно-практической конференции «Вопросы проектирования, эксплуатации технических систем в металлургии, машиностроении, строительстве», Старый Оскол, -1999; Международной научной конференции «Новые конкурентоспособные и прогрессивные технологии, машины и механизмы в условиях современного рынка», Могилев. - 2000.

Публикации. По результатам работы опубликовано 6 печатных работ, получен 1 патент РФ на изобретение, поданы 2 заявки на изобретения.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, содержащего основные результаты и выводы. Работа включает 151 страницу, в том числе 141 страницу машинописного текста, 10 таблиц, 59 рисунков, список литературы из 117 наименований и приложения на 10 страницах.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Анализ основных направлений развития и совершенствования техники и технологии сверхтонкого измельчения показал, что одним из перспективных способов получения сверхтонких порошков высокого качества является разработка и совершенствование существующих конструкций струйных мельниц с плоской помольной камерой.

2. Разработана методика аэродинамического расчета вихревой помольной камеры струйной мельницы, учитывающая ее конструктивно-технологические параметры и являющаяся основой для моделирования движения частиц измельчаемого материала.

3. Получена математическая модель движения двухкомпонентной смеси в вихревой помольной камере мельницы, которая позволяет производить расчет скорости потока с учетом конструктивно-технологических параметров мельницы.

4. Предложена методика расчета производительности струйной мельницы с плоской помольной камерой, ее энергопотребления, тонкости помола, позволяющая определить данные показатели в зависимости от размеров измельчаемого материала, получаемого продукта и учитывающая конструктивные и технологические параметры струйной мельницы.

5. В лабораторных условиях проведена экспериментальная проверка разработанной методики расчета и теоретических моделей, расхождения между расчетными и фактическими данными составляют в среднем 10 %.

6. Методом планирования эксперимента установлены регрессионные зависимости средневзвешенного диаметра частиц dcp, производительности Q и удельных энергозатрат q от конструктивно-технологических параметров: размеров входного прямоугольного сечения S, мм; давление рабочего потока Рраб, МПа; крупности исходного материала dM, мм; диаметра выходного отверстия dBbIX, мм; высоты

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

2. Абрамович Г. Н. Теория центробежной форсунки // Промышленная аэродинамика. — М.: БИТ ЦАГИ, 1944. с. 18-26.

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

4. Авторское свидетельство №1565509 кл. В02С 19/06. 1990г.

5. Авторское свидетельство № 1599094 кл. В02С 19/06. 1991 г.

6. Авторское свидетельство №1733098 кл. В02С 19:06. 1988г.

7. Акулич А.В., Сажин Б.С., Егоров А.Г. Исследование движения частиц твердой фазы во вращающемся газовом потоке для решения задачи фрикционной сушки материалов. // ТОТХ, 1999, том 33. №6.-с.608-611.

8. Акунов В. И. Анализ современного состояния и перспективы развития помольной техники.//Цемент, —1986. №7. - с. 13-15.

9. Акунов В. И. Современные вибрационные измельчители. — М.: Машиностроение, 1962. 254 с.

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

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

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

13. Акунов В. И. Экспериментальные исследования установок для гонкого измельчения с противоточными струйными мельницами. — М.: ВНИИНСМ, 1961. 229 с.

14. Алиев А. Г. М. Устройство и обслуживание газоочистных и пылеулавливающих установок. —М.: Металлургия, 1988. 368 с.

15. Альтшуль А. Д., Киселев П. Г. Гидравлика и аэродинамика. — М.: Стройиздат, 1975. 323 с.

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

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

18. Бауман В. А., Быховский И. И. Вибрационные машины и процессы в строительстве. — М.: Высшая школа, 1977. 354 с.

19. Бауман В. А., Лапира Ф. А. Строительные материалы. Справочник, т.1. — М.: Машиностроение, 1976. 502 с.

20. Бауман В. А., Лапира Ф. А Строительные материалы. Справочник, т.2. — М.: Машиностроение, 1977. 496 с.

21. Богданов В. С., Воробьев Н. Д., Чемеричко Г. И. Математическое моделирование на ЭВМ и САПР механического оборудования. Моделирование.—Белгород, 1987. 58 с.

22. Богданов В. С., Катаев Е. Ф., Воробьев Н. Д., Шаблов А С. Мельницы сверхтонкого измельчения. Учебное пособие. — Белгород: БТИСМ, 1988.-86с.

23. Богданов В. С., Несмеянов Н. П., Катаев Е. Ф. Механическое оборудование предприятий строительных материалов. Учебное пособие. — Белгород, 1996. -102 с.

24. Богданов В. С., Несмеянов Н. П., Пироцкий В. 3., Морозов А. И. Механическое оборудование предприятий промышленности строительных материалов. — Белгород, 1998. -180 с.

25. Бондарь А. Г., Статюха Г. А., Потяженко И. А. Планирование эксперимента при оптимизации процессов химической технологии. — Киев: Вища школа, 1980.-263 с.

26. Булгаков С. Б. Струйная противоточная мельница с дополнительным подводом энергоносителя. Автореф. дис. .канд. техн. наук. — Белгород: БелГТАСМ, 2002.-40с.

27. Бусленко Н. П. Моделирование сложных систем. — М.: Наука, 1978. -399с.

28. Буссройд Р. Течение газа со взвешенными частицами. —М.: Мир, 1975. -373 с.

29. Бухман М. А. Экспериментальные исследования аэродинамики и конвективного теплообмена в циклонной камере с распределенным по периметру подводом воздуха. Дис. канд. техн. наук. — Алма-Ата, 1970. 198с.

30. Велецкий Р. К., Гричина Н. Н. Измерение параметров пылегазовых потоков в черной металлургии. — М.: Металлургия, 1979. 80 с.

31. Волчиков Э. П., Смулъский И. И. Аэродинамика вихревой камеры со вдувом по боковой поверхности (экспериментальное исследование). —Новосибирск: СО AM СССР ИТФ, с.38-79.

32. Воробьев Н.Д., Богданов B.C., Ельцов М.Ю. Моделирование взаимодействия мелющего тела с футеровкой трубной мельницы // Физико-математические методы в строительном материаловедении: Сб. науч. тр. —

33. М.: Изд-во МИСИ, 1986. с. 168-173.

34. Вулис JI. А., Устименко Б. П., Об аэродинамике циклонной топочной камеры. — Теплоэнергетика, 1954, №9. с. 3-10.

35. Гийо Р. Проблема измельчения и её развитие. — М.: Стройиздат, 1964.-112с.

36. Гольдштик М. А. Вихревые потоки. —Новосибирск: Наука, 1981. -364с.

37. Гольдштик М. А., Леонтьев А К., Палеев И. И. Аэродинамика вихревой камеры. — Теплоэнергетика, 1961, №2. с. 40-45.

38. Гольдштик М. А., Леонтьев А. И., Палеев И.И. Движение мелких частиц в закрученном потоке. — ИФЖ, 1960, №2, т.З. с. 17-24.

39. Гольдштик М.А., Сорокин В.Н. О движении частицы в вихревой камере.—Принц, мех. и теплофиз., 1968, №6. с. 21 -24.

40. Горобец В. И., Г'оробец Л. Ж. Новое направление работ по измельчению. —М.: Недра, 1977. -180 с.

41. Гостен А., Пан Р., Ранчел А. и др. Численные методы исследования течений вязкой жидкости. — М.: Мир, 1972. -326 с.

42. Гринспент X. Теория вращающихся жидкостей. — Л.: Гидрометеоиздат, 1975.-303 с.

43. Двухфазные моно- и полидисперсные течения газа с частицами / Под. ред. Л. Е. Стренина. —М.: Машиностроение, 1980. с. 112.

44. Дешко Ю. И., Креймер М. Б., Крыхтин Г. С. Измельчение материалов в цементной промышленности. —М.: Стройиздат, 1964. 276 с.

45. Дорендорф К. И., Сидольковский Л. Н. Влияние твердой фазы на сопротивление циклонной камеры. — Труды МЭИ. — М.: Изд-во МЭИ, 1974. вып. 208. с. 27-32.

46. Дорохов И.Н., Арутюнов С.Ю., Эскин Д.И. Математическое описание процессов струйного измельчения. // ТОТХ, 1993, том 27, №5.-с.514-517.

47. Емелин М. А., Морозов В. Н. и др. Новые методы разрушения горных пород. —М.: Недра, 1990.-240 с.

48. Еремин Н. Ф. Процессы и аппараты в технологии строительных материалов.—М.: Высшая школа, 1986. 280 с.

49. Жуков В.П., Мизонов В.Е., Филичев П.В., Бернотат 3. Применение принципа максимума энтропии к прогнозированию процессов измельчения.//ТОТХ, 1998, том 32, №2.-с. 183-187.

50. Заявка на изобретение №526 кл. В02С 19/06 от 08.05.2002г.

51. Заявка на изобретение № 2000128608 кл. В02С 19/06 от 16.11.2000г5 6. Зверев Н.И., Ушаков С.Г. Об устойчивости движения твердой частицы вплоском вращающемся потоке.—ИЖФ, 1969, том 16, №1. -с.43-46.

52. Зверев Н.И., Ушаков С.Г. О движении частицы в потенциальном вращающемся потоке. — ИЖФ, 1968, том 14, №1. с. 90-93.

53. Идельчик И.Е. Аэродинамика технологических аппаратов. — М. : Машиностроение, 1983. 351 с.

54. Калиткин Н.Н. Численные методы. —М.: Наука, 1978. 512 с.

55. Кармазин В. И., Денисенко А. И., Серго Е. Е. Бесшаровое измельчение руд. -— М.: Недра, 1968.- 184 с.

56. Кафаров В. В., Дорохов И. Н., Арутюнов С. Ю. Системный анализ процессов химической технологии. Процессы измельчения и смешения сыпучих материалов. —М: Наука, 1985. 440с.

57. Кислых В. И., Стульский И. И. К гидродинамике вихревой камеры. — ИФЖ, 1978, т.35, №3. с. 543-544.'

58. Коаулин Н. А., Исаков В. П. О влиянии концентрации твердой фазы на движение газа в вихревой камере. — Теплоэнергетика, 1962, №1 .-с. 18-20.

59. Коваль В. Н., Михайлов С. JI. Распределение скоростей и давления жидкости в вихревых камерах.—Теплоэнергетика, 1972, №2. с. 25-28

60. Коузов П. А. Основы анализа дисперсионного состава промышленных пылей и измельченных материалов.—Л: Химия, 1987. 262 с.

61. Коузов П. А., Скрябина JT. Я. Методы определения физико-химических свойств промышленных пылей. — Л.: Химия, 1983.-138 с.

62. Кремлевский П. П. Расходомеры. — М. Л., Машгиз, 1963. - 658 с.68