автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Вихре-акустический диспергатор комплексного воздействия на частицы измельчаемого материала

На правах рукописи

ГОРЛОВ АЛЕКСАНДР СЕМЕНОВИЧ

ВИХРЕ-АКУСТИЧЕСКИЙ ДИСПЕРГАТОР КОМПЛЕКСНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЧАСТИЦЫ ИЗМЕЛЬЧАЕМОГО МАТЕРИАЛА

05.02.13 — Машины, агрегаты и процессы (строительство)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Белгород -2006г.

Работа выполнена на кафедре Технологических комплексов, машин и механизмов Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор,

заслуженный изобретатель РФ

В.С. Севостьянов

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

А.И. Доценко

кандидат технических наук, доцент

В.А. Уваров

Ведущая организация: Воронежский государственный архитектурно-строительный университет.

Защита диссертации состоится «7» декабря 2006 г. в 10 часов на заседании совета Д 212.014.04 при Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова(308012, г.Белгород, ул. Костюкова, 46 Главный корпус, ауд.242)

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Белгородского государственного технологического университета им. В.Г.Шухова

Автореферат диссертации разослан «

»

2006 г.

Ученый секретарь (1

диссертационного совета и I [С^П/у^

кандидат технических наук, доцент^ I I \а]г' М.Ю.Ельцов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Получение тонкодисперсных порошков является одной из сложных технологических операций при производстве современных строительных материалов, обогащении полезных ископаемых, обработке материалов в химической, топливной и других отраслях промышленности. Дисперсность получаемого порошка в значительной мере определяет качество получаемых продуктов и влияет на повышение их технологических и потребительских свойств. Наиболее высокой степенью дисперсности и однородности должны обладать порошки, предназначенные для использования в качестве наполнителей при производстве пластмасс, резины, бумаги, эмалей, лаков, красок, керамики и других изделий, используемых в строительстве.

В настоящее время наиболее перспективным способом тонкого и сверхтонкого измельчения является способ высокоскоростного измельчения материалов, реализуемый путем придания механического ускорения измельчаемым частицам при помощи струй сжатого воздуха, пара или газа в вихревых мельницах. Одной из наиболее важных составляющих вихревых потоков является поле центробежных сил, которые в современных технических устройствах могут достигать огромных значений — порядка 104105 ускорений силы тяжести. Использование высоких скоростей, до нескольких сотен метров в секунду, позволяет повысить не только дисперсность получаемого продукта, но и удельную производительность измельчителя, его к.п.д. Кроме того, появляется возможность реально использовать преимущества высокоскоростного избирательного измельчения многокомпонентных смесей для получения продуктов с заданными свойствами и, что немаловажно, химически чистых от механических примесей, возникающих от износа рабочих элементов измельчителя. Свойства измельчаемых материалов во многом зависят от технологических условий процесса измельчения и конструктивно-технологических параметров вихревых мельниц, используемых для его реализации.

При всех преимуществах вихревых мельниц, широко используемых для тонкого измельчения материалов, они имеют и ряд недостатков: сравнительно высокий удельный расход энергии, относительно невысокую удельную производительность и недостаточную тонину помола получаемого продукта (иногда свыше 40 мкм). Кроме того, существующие методики расчета и конструирования вихревых мельниц, на наш взгляд, имеют незавершенный характер, что не позволяет эффективно их использовать на практике. Все это создает необходимые предпосылки для проведения дальнейших исследований в области вихревого измельчения материалов при комплексном вихре-акустическом воздействии на двухфазный поток в камерах измельчения.

Рабочая гипотеза. Эффективность работы вихревых мельниц может быть значительно повышена путем рациональной организации двухфазного потока в камере измельчения и комплексным вихре-акустическим воздействием на аэродинамику и диспергируемые частицы. -

Цель работы. Разработка математического аппарата для описания процессов вихре-акустического взаимодействия в камере измельчения и методики расчета конструктивно-технологических параметров вихре-акустических диспергаторов (ВАД), обеспечивающих повышение эффективности получения высокодисперсных порошков.

Научная новизна представлена математической моделью движения двухкомпонентной смеси в ВАД; уравнением, описывающим процесс изменения массы частицы в процессе истирания; уравнениями, отражающими характер комплексного воздействия на частицы измельчаемого материала; системой уравнений для определения траекторий движения частиц в вихревом потоке; математической моделью процесса измельчения в вихре-акустическом диспергаторе на основе обобщенной системы аэродинамических уравнений. Автор защищает:

1. Математическую модель движения двухкомпонентной смеси в камере измельчения вихре-акустического диспергатора.

2. Математическую модель, представленную системой уравнений, описывающую процесс комплексного воздействия на частицы материала в камере измельчения.

3. Математическую модель процесса измельчения в ВАД на основе обобщенной системы аэродинамических уравнений.

4. Результаты экспериментальных исследований по измельчению материалов в вихре-акустическом диспергаторе при различных аэродинамических режимах его работы.

5. Методику расчета и проектирования энерго- и ресурсосберегающих комплексов для тонкого и сверхтонкого диспергирования материалов.

6. Инженерную методику расчета конструктивно-технологических параметров вихре-акустического диспергатора.

7. Патентно-чистую конструкцию вихре-акустического диспергатора и результаты его опытно-промышленной апробации.

Практическая ценность работы заключается в разработке математических моделей, описывающих процессы измельчения в камерах вихре-акустических диспергаторов различной конструкции и методики расчета их основных конструктивно-технологических параметров, а также рекомендаций по выбору рациональных технологических режимов работы вихре-акустических диспергаторов. По результатам диссертационной работы разработана новая конструкция вихре-акустического диспергатора,

патент № 2250138, внедрение, которого обеспечивает повышение эффективности процесса измельчения на 20-25 %.

Внедрение результатов работы. По результатам выполненной работы была разработана конструкторская документация на опытно-промышленный образец вихре-акустического диспергатора производительностью до 50 кг/ч. Диспергатор изготовлен на машиностроительном предприятии ООО «Завод Новатор», апробирован в технологической линии по производству пигмента на ООО ТПК «КРЭМ». Экономический эффект от использования разработок составил 168,3 тыс. руб.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены и обсуждены 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: 1И Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике», Пенза - 2003, Международная научно-практической конференции молодых ученых «Актуальные проблемы методов получения мелкодисперсных порошков», Санкт-Петербург, - 2003.

Публикации. По результатам работы опубликовано 17 статей, получено 2 патента РФ на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и заключения, содержащего основные результаты и выводы. Работа содержит 171 страницу, 10 таблиц, 89 рисунков, список литературы из 125 наименований и приложения на 31 странице.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность темы диссертации, указана научная новизна, практическая значимость, определены направления исследования.

Глава 1. Представлен аналитический обзор современного оборудования, применяемого для тонкого и сверхтонкого измельчения. Установлено, что при всем разнообразии существующих типов помольного оборудования одним из перспективных видов оборудования для тонкого и сверхтонкого измельчения являются вихревые, струйные измельчители. Проведен анализ экспериментальных и теоретических исследований вихревого эффекта. Рассмотрены основные закономерности акустических процессов в вихревых аппаратах. Дан сравнительный анализ существующих

конструкций струйных мельниц и отмечено, что одним из направлений дальнейшего совершенствования конструкций агрегатов данного типа является . разработка конструктивно-технологических решений, обеспечивающих комплексное воздействие на частицы, находящиеся в помольном объеме.

Одним из факторов, влияющим на эффективность процесса измельчения, является комплексное воздействие на частицы материала. Управление движением двухфазного потока в камере вихре-акустического диспергатора возможно за счет изменения конструктивных параметров камеры измельчения и установки резонаторов на верхней крышке камеры основного измельчения.

Установлено, что незавершенность теоретического обоснования аэродинамики вихревых мельниц, процессов измельчения и базирующейся на их основе методики расчета не позволяет оптимально подобрать конструктивные характеристики измельчителя и в полной мере использовать особенности механизмов разрушения измельчаемых частиц в вихревых потоках.

Исходя из вышеизложенного в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. Теоретические исследования процесса истирания частиц в вихревой камере, механизма разрушения частиц при ударах о стенку камеры измельчения, изучение особенностей характера нагружения частиц, позволяющих достичь необходимую интенсивность внутренних и поверхностных напряжений, а также многократность сжимающих, растягивающих и сдвиговых деформаций.

2. Разработка на уровне изобретения новой конструкции вихре-акустического диспергатора.

3. Изучение основных вихре-акустических и аэродинамических характеристик, а также процессов, протекающих в камере измельчения вихре-акустического диспергатора.

4. Разработка методики расчета конструктивно — технологических параметров вихре-акустического диспергатора.

5. Проведение экспериментальной проверки разработанной методики расчета и теоретических моделей.

6. Опытно-промышленная апробация новой конструкции вихре-акустического диспергатора.

Глава 2. Представлены результаты теоретических исследований. С целью получения достоверной' информации о рабочем процессе, проходящем в вихре-акустическом диспергаторе, была разработана математическая модель движения двухкомпонентной смеси в камере измельчения, описывающая закономерности изменения массы и скорости при движении частиц. Знание этих закономерностей позволяет связать

конструктивные и аэродинамические параметры конструкции вихре-акустического диспергатора.

Для решения данной задачи была разработана новая конструкция вихре-акустического диспергатора, представленная на рис. 1.

Рис.1. Вихре-акустический диспергатор: 1- основная камера измельчения, 2- загрузочное устройство, 3- блок сепарации, 4- камера домола, 5-устройство пылеподавления, 6- патрубок выгрузки готового продукта, 7 -цилиндрические резонаторы.

На первом этапе изучались модели, описывающие процесс разрушения отдельных частиц материала в камере измельчения. Крупные частицы, под действием центробежных сил вращаются в периферийных зонах камеры измельчения. Это происходит до состояния частиц, когда в результате истирания их ' масса не уменьшится. Тогда, под действием центростремительной силы, начинается их движение к центральному стоку камеры.

Характер изменения массы и скорости частиц при измельчении и установившемся режиме измельчения в камере ВАД представлены на рис.2 и рис.3.

Дифференциальное уравнение движения частицы с переменной массой твердой фазы во вращающемся потоке под действием центробежной силы и сил сопротивления имеет вид

где т - переменная масса частицы, с1 р- диаметр частицы,IV^ ,-тангенциальные составляющие скорости частицы и газа, соответственно,

5

О)

- коэффициент гидродинамического сопротивления, р- плотность газовой среды и кт - коэффициент трения частицы о стенку камеры.

"\1

V

\

\ ч

\

0,5 1 1,5 2 2,3 врамя, •

Рис.2. Изменение массы отдельной частицы Рис.3. Изменение скорости при истирании в камере измельчения частиц,

вихре-акустического диспергатора. 1- dp =0.002 м, 2- dp =0.003 м,

l-d „=2м, 2- d = 0.003 м

р ' р

Проведенные нами экспериментальные исследования показали, что интенсивность процесса истирания частиц зависит от их физико-механических характеристик, а также от их формы.

Проводились эксперименты по истиранию частиц шарообразной формы. В начальной стадии измельчения частиц наблюдается их характерное истирание не по всей поверхности, а по цилиндрической, ориентированной вдоль мгновенной оси вращения частицы.

Система дифференциальных уравнений движения частицы твердой фазы во вращающемся потоке под действием центробежной силы и силы сопротивления имеет вид

= р\vr-wr у +0_gL)m4-J с/т 4 2 тр г р,

dw- -W f (2)

dT ' 4 2mf г

где VF,Vltl- радиальная и тангенциальная составляющая скорости газа; Wr,W — радиальная и тангенциальная составляющая скорости частицы в

камере измельчения; с1р —средний диаметр частиц дисперсной фазы; со — угловая скорость вращения среды; т - масса частицы; £ - коэффициент гидродинамического сопротивления; р - плотность газовой среды.

Анализ полученных результатов показывает, что траектории движения частиц соответствуют логарифмическим спиралям, стремящимся к равновесным радиусам. Отклонение профиля скоростей газа от потенциального течения приводит к увеличению траектории движения частиц в потоке до момента их выхода на равновесный радиус. При этом для частиц одного и того же размера уменьшается радиус равновесной траектории. Все это приводит к увеличению времени пребывания частиц во вращающемся потоке. Такой характер движения газовой и твердой фаз подтверждается экспериментальными результатами, полученными на прозрачных лабораторных моделях. Траектория движения и время нахождения частицы в плоском вращающемся потоке с центральным стоком газа зависит от скорости ввода частиц в поток, диаметра частицы, степени закрутки потока, радиуса равновесной траектории, режима обтекания частицы потоком газа и плотности измельчаемого материала.

Для управления турбулентными параметрами течений в помольной камере вихре - акустического диспергатора используются цилиндрические резонаторы (резонаторы Гельмгольца).

Формирование низкочастотного излучения при помощи резонаторов Гельмгольца широко используются в аэродинамике. Применительно к ВАД этот эффект позволяет реализовать комплексное воздействие на частицы измельчаемого материала.

Низкочастотное акустическое воздействие на газовый поток в помольной камере ВАД приводит к увеличению максимальных коэффициентов корреляции пульсаций скорости. Перемешивание частиц измельчаемого материала становится более интенсивным, что способствует повышению эффективности процесса измельчения.

При высокочастотном возбуждении уменьшаются коэффициенты корреляции пульсаций скорости в газовом потоке помольной камеры. Условия диспергирования в помольной камере ухудшаются. Регулировку амплитуды и частоты возмущений можно осуществлять путем подбора формы резонаторов и рабочей поверхности помольной камеры. Амплитуда звукового давления определяется числом Рейнольдса, степенью закрутки газового потока и формой камеры измельчения.

Крупные частицы материала, попадающие в камеру, вращаются на периферии у боковой стенки. Непрерывные соударения их между собой и со стенками камеры ведут к разрушению частиц. Интенсивность процесса разрушения зависит от физико-механических свойств, геометрических

размеров и времени пребывания частиц в потоке. В общем случае изменение окружной скорости газа описывается нелинейным законом, но исходя из малой величины частицы материала на участке, равном 2К {К — радиус частицы), можно принять закон изменения линейным (рис. 4):

V* - а1Х + «2 . " (3)

где а1 = (У2 = — окружные скорости по обе

стороны частицы вдоль радиуса камеры измельчения.

Рис.4.Схема вращательного движения частицы материала в вихревом потоке энергоносителя (воздуха) 0,-0,- ось вихревой камеры.

Сила, действующая со стороны газового потока на частицу:

&

'8 ' 8 1 * 16" Момент действия сил относительно точки О:

М =1бяц/ргЛ:

' +-Яа,а

ч128 1 8 1 1 32

(4)

(5)

(6)

В результате наличия момента происходит вращения частицы материала, и на ее поверхности появляются касательные напряжения, величина которых составляет

йУ

г*-ЛйГ

где — коэффициент динамической вязкости газа.

Величина момента сил зависит от окружных скоростей по противоположным сторонам частицы. Наличие резонаторов в крышке камеры измельчения турбулизирует газодисперсный поток, создает зоны

сжатия и растяжения и более интенсивное взаимодействие вихрей разных знаков. Характер и интенсивность возмущений определяется собственными частотами резонаторов. На участке расположения резонаторов наблюдается наибольший перепад тангенциальных скоростей, как по радиусу камеры, так и по ее высоте.

Рассматривая пограничный слой газа на поверхности частицы толщиной б, касательное напряжение вычисляется по формуле

т, =/¿¿Фятв + ^ЯсозШе + Я&пв—), (7)

о д

где СО- угловая скорость вращения, ф, 9, X — сферические координаты, /Лг — коэффициент динамической вязкости газодисперсной смеси. Он

зависит от концентрации частиц материала в камере измельчения.

Сила трения, действующая на поверхности частицы

Т =ДгС07С2/г2(1 + Л/5). (8)

Направление вращения частиц зависит от значения ее радиальной компоненты в потоке.

При ударных нагрузках частица материала в камере ВАД подвергается частичной . деформации. Элементарными носителями пластической деформации на микроуровне могут выступать различные дефекты структуры: вакансии, дислокации. Пластическая деформация на микроуровне в рамках предлагаемого подхода описывается с континуальной точки зрения. Такой подход позволяет также учесть скоростную чувствительность частиц материала. В каждом конкретном случае деформирования частиц материала вырабатывается динамическое равновесие, отражающее условия нагруженияи реакцию частиц материала в камере измельчения ВАД.

' В связи с этим задача о динамическом разрушении высокооднородных хрупких тел сводится к исследованию распространения волны дробления по предварительно напряженной упругой среде с уровнем напряжений, определяемым как действующей на границе нагрузкой, внутренними свойствами раздробленного материала.

Задача о динамическом нагружении частицы с учетом распространения нелинейных упруговязкопластических волн представляется системой

уравнений, описывающей динамику в виде р*> = ^ , ^ =

и д1 дх 81 дх й Е дх т м 1 "

где О" • - напряжение в частице материала, созданное динамическим нагружением вследствие ее удара о стенку камеры, Б - деформация частицы. Система уравнений (9) принадлежит к гиперболическому типу.

Эта система уравнений допускает разрывные решения: ударные волны, контактные разрывы и другие особенности, которые зависят от вида функции er = crs(e). Для выпуклой функции, когда (Т*(е)<0, возможны

только слабые разрывы. При сг" (е) = 0, (случай линейного упрочнения) возможны сильные разрывы, распространяющиеся с постоянной скоростью

с,, отвечает модулю упрочнения Е1 :. с, = (.Е, / р)^2 . Для вогнутой диаграммы при сг"(е)>0 система (9) допускает ударные волны как с постоянной, так и с переменной скоростью. При нулевом угле наклона 8<JS / ds — 0 возмущения не распространяются и возникают стационарные

разрывы. Наконец при разупрочнении в области, где ders / ds < 0, система

уравнений из гиперболической становится эллиптической и начально-краевая задача становится для нее не корректной. Частицы измельчаемого материала имеют шарообразную форму, поэтому уравнения будут иметь более сложный вид, но качественные описания процессов будут близки.

При прямом или косом ударе частицы в преграду рис.5., а так же при взаимном соударении частиц основным видом разрушения является раскол по меридиональным плоскостям микротрещин и откол от нее нескольких относительно крупных осколков.

Рис.5. Поля напряжений, действующих на частицу при прямом а) и косом б) ударе о стенку камеры.

В вихре-акустическом диспергаторе частицы подвергаются в области измельчения квазистатическому (безударному) двухосному периодическому силовому нагружению и разгружению в условиях высокочастотных вихревых, пульсационных и акустических циклических возмущений.

Определяющие уравнения имеют вид

dt Е dt т N 1 " Ф(г) = 0 при z<0, Ф(г) = Ф(г) при z»0, где Г - параметр, имеющий размерность времени, Е - модуль упругости материала, Ф(г) - гладкая функция, удовлетворяющая условию Ф(о) = 0.

Уравнение (10) описывает мгновенное деформирование частиц материала. Уравнение (10) связывает между собой дифференциальным соотношением две функции сг(/) и s{t). Чтобы их определить, надо задать еще одно соотношение между ними. Наиболее простым условием является условие, . отвечающее деформированию стержня мгновенно приложенным к его концу либо напряжением, либо деформацией, изменяющимися при t > 0. Эти два типа условий наиболее часто используются при экспериментальном определении квазистатических зависимостей между напряжением и деформацией. Можно задать эти три процесса следующим образом: = t >0 СУ = о"q при / — 0

dt

2)Ё£ = ^(,) t>0 е = е0 при/ = 0 (11)

dt

На рис. 6 изображены поля напряжений, действующие на частицы со

стороны аэроакустического поля в камере помола.

Рис.б.Поля сжимающих и растягивающих напряжений, действующих на частицу.

Силовые нагружения частиц в ВАД имеют циклический характер. Чередующиеся силовые нагружения указанного вида и разгружения частиц вызывают в их материале комбинацию квазистатических и высокочастотных составляющих нормальных и касательных напряжений, которые обеспечивают усталостное объемное разрушение частиц при выполнении

ряда условий, накладываемых на значения определяющих процесс разрушения параметров.

Для описания разрушения принимается критерий мгновенного откола, а также интегральный критерий накопления повреждаемости материала в интегральном виде

Время разрушения материала в камере вихре-акустического диспергатора зависит от интенсивности комплексного воздействия на частицы материала, от акустических характеристик вихревого потока.

Выше был рассмотрен математический аспект качественного анализа структуры процесса измельчения отдельных частиц в камере измельчения вихре-акустического диспергатора.

Для аналитического описания эффектов второго этапа ( в масштабе всего аппарата) использовался математический аппарат случайных марковских процессов.

В камере измельчения вихре-акустического диспергатора, имеющей рабочий объем V, имеет место структура перемешивания аэродинамических потоков, как несущей фазы, так и измельчаемых частиц (дисперсной фазы).

Уравнение сохранение массы несущей фазы будет иметь вид:

где М1,С1>а1,С,сс — масса, массовый расход на входе в камеру измельчения, объемное содержание на входе, массовый расход на выходе из камеры измельчения, объемное содержание на выходе несущей фазы (энергоносителя), соответственно.

Уравнение изменения массы измельчаемых частиц в камере вихре-акустического диспергатора будет иметь вид:

где М2, С20, СС20,02, се2 — масса, массовый расход на входе в камеру

измельчения, объемное содержание на входе, массовый расход на выходе из камеры измельчения, объемное содержание на йыходе камеры измельчения дисперсной фазы, соответственно.

Масса частиц, находящихся в камере измельчения

<9(сг) = к(сг - сг5)а,сг >сх! и в(а) = со,а £ сгг .(12)

(13)

(14)

М2 - р\а2У,

(15)

где р2 — плотность частиц измельчаемого материала.

Для построения математической модели процесса измельчения в вихре-акустическом диспергаторе необходимо иметь явный вид зависимостей для масс несущей и дисперсной фаз. Решая уравнения (13) и (14), получим

Л/1(/)=К+(С?1-<71°)

т1+7\(1-ехр(-^)) м

л/2(0=л/2°+(с20-с2°0)

т2 +Г2(1-ехр(-^))

(16)

• (17)

В (16) и (17) будем учитывать влияние взаимодействия между фазами на начальные условия М° и . Величины Т^т, —могут быть приняты постоянными при установившемся режиме движения энергоносителя (газа) в камере измельчения. Величины Т2,Х2 — могут быть приняты постоянными при установившемся режиме подачи материала в камеру измельчения вихре-акустического диспергатора.

Среднее время пребывания частиц в камере измельчения

Ь = М2 / С?20.

(18)

В камере основного измельчения марковский процесс характеризуется плотностью вероятности УУ, которая по физическому смыслу может быть отождествлена с дифференциальной характеристикой грансостава измельчаемого материала крупности (1 в момент времени I, Введем безразмерные переменные

Тогда, обозначив через "И> функцию плотности распределения по

1

относительной крупности У,^{у,тУИу—

дн>1

Зл* _ д дт ду

и-1 + х-

ду

,0 < у < 1,г, < г < (г, + г.)

(19)

Безразмерный комплекс % > характеризует отношение вкладов в процесс измельчения детерминированных и случайных воздействий.

В начальный момент времени w(y,0) = W0(y), о < У <, 1. (20)

Граничные условия:

w'(0,t)= 0, w7(l,r)= 0,/г» < г < (/ + 1}г. (21)

Второе условие (21) означает, что поступающая при очередном акте обновления дисперсного состава ненулевая порция частиц максимальной крупности размельчается практически полностью.

Рассмотрим ситуацию, соответствующую, концу 1-го интервала времени.

Количество образовавшегося мелкодисперсного материала при

у<у = хс!хп,

У В = V0Ml М'0 = \w'{y,T,)dy. (22)

о

При сбалансированности процесса количество материала, уходящего из рабочей камеры ВАД:

У у = (23)

где Vn -объем вновь поступившего материала. В камере остается объем мелкодисперсного материала VM — VB — Vy = V0M'0 — vlnr. / к и функцией

с у > Ус .равный Vk = V0 — V0Mg.. После акта обновления объем материала в рабочей камере

vk+vM+vn= (v9 -FX)+{гоМ'о - +Yir = v- <24>

Таким образом, после акта обновления состава материала в рабочей камере остается материала^ с плотностью распределения w' (у,г,),0 £ у < yc;V0 — VB материала с плотностью распределения w' (у, г,), ус < у < 1, и Уп материала, распределенного с плотностью

Возможность изменения аэроакустических параметров позволяет осуществлять управление процессами измельчения частиц материала в камерах вихре-акустического диспергатора.

Глава 3. Обоснован выбор и представлена методика проведения экспериментальных исследований процессов в вихре-акустическом диспергаторе. Изучены физико-механические характеристики измельчаемого материала. Представлены изготовленные конструкции лабораторных установок для визуальных наблюдений процессов, проходящих в основной камере измельчения, приведены технические данные использованного оборудования и средств измерений.

Программой исследований на первом этапе проведения экспериментов

предусмотрено подтверждение теоретических выкладок по определению аэродинамических параметров камеры измельчения,

акустических характеристик резонаторов.

На второй этапе проведения экспериментов осуществляли измельчение материалов при различных режимах работы вихре-акустического диспергатора на специально изготовленной установке ВАД, представленной на рис.7.

Рис.7.0пытно- экспериментальная установка ВАД.

Глава 4. Приведены результаты экспериментальных исследований по определению аэродинамических характеристик однофазного потока в камере основного измельчения рис. 8.

а)

»0 300 250 200 !• 150 100 50 О

У

б)

250 200

»

; 150 *

Мю ■

50 О

•

Г/ У ч

/ ч V

* •ч г 1

Рис.8. Профили тангенциальной скорости однофазного потока 1- эксперимент, 2- численный расчет; а) Р = 0.5 МПа, б) Р = 0.4 МПа

С помощью проведенных экспериментов установлено, что значения скоростей потока в основной камере измельчения ВАД совпадают с расчетными значениями, полученными в главе 2. Расхождение между экспериментальными и теоретическими значениями не превышает 10-15%..

При уменьшении давления подаваемого энергоносителя (воздуха) в основную камеру измельчения вихре-акустического диспергатора максимум тангенциальной скорости потока смещается к центру камеры. Такая же тенденция наблюдается при уменьшении площади центрального выходного отверстия камеры измельчения.

Определено, что предпочтительным режимом следует считать давление энергоносителя, подаваемое в сопло (0,3-0,5 МПа), так как увеличение давления приводит лишь к дополнительным энергозатратам. При этом процентное количество мелкой фракции частиц материала будет увеличиваться незначительно.

Проводились эксперименты по измельчению железорудного концентрата при одинаковых давлениях энергоносителя на входе в камеру измельчения вихре-акустического диспергатора, но при разных значениях собственных частот резонаторов. Результаты приведены на рис.9.

43: *

У *

л;

а)

б) Р Гц,3

Дччоту ПТИЦ Нг

г г

ъ

л * *

* *

* ч "ч ч [V

) ч ч ч * ■V

5 ч *

* •1 «1

Дщщф ЧМ1П1 ыи

б)

Рис.9. Эволюция функции распределения при давлениига) Р=0.4МПа, -0.5МПа.,при собственных частотах резонаторов: 1- 240 Гц.,2- 310 390 Гц,4- 430 Гц,5-0 Гц.

Акустические излучения больших частот лучше поглощаются мелкими частицами диспергируемого материала, а малых частот -крупными. Поглощение способствует увеличению уровня внутренних и поверхностных напряжений в частицах материала, особенно при больших частотах.

При этом зарождающиеся в частицах микродефекты структуры не успевают аннигилировать, а акустические частоты находятся в резонансной близости с частотами излучений, которые возникают в вершинах трещин при ударе. Анализ проведенных экспериментов позволил установить зависимость количества мелкой фракции (с1 <0.045) от собственной частоты резонаторов. Зависимости представлены на (рис. 10).

■ 0.0 340.0 3100,;: 300.0 V -оао ■ '11Ч11И1МЯИИН

Рис.10. Зависимость количества мелкой фракции от собственной частоты резонаторов при различном давлении на входе:1-0.5МПа.,2-0.4 МПа., 3-0.3 МПа.,4-0.2 МПа.

Наибольшее количество мелкой фракции железорудного концентрата получается при собственной частоте резонаторов равной 310 Гц. Это объясняется тем, что интенсивность пульсаций скорости газодисперсной среды в камере измельчения вихре-акустического диспергатора при такой частоте достигает максимального значения.

Циклический характер нагружения частиц вызывает появление в материале комбинации квазистатических и разночастотных составляющих нормальных и касательных напряжений, которые обеспечивают усталостное - объемное разрушение частиц.

Анализ полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований показывает, что для любого набора входных параметров существует предпочтительное их сочетание, когда производительность и удельная энергоемкость максимальны. При этом удельный расход энергоносителя минимален.

При измельчении высокообразивных материалов исследован характер износа внутренних поверхностей камеры измельчения. Необходимо футеровать поверхности камеры измельчения ВАД подвергающиеся износу более износостойкими материалами, например, керамическими элементами.

Глава 5. С учетом проведенных теоретических и экспериментальных исследований процессов диспергирования материалов приведена методика

проектирования энерго- и ресурсосберегающих процессов и аппаратов тонкого и сверхтонкого измельчения материалов.

По результатам опытно-промышленных испытаний ВАД новой конструкции (патент №2250138) разработана технологическая линия для производства тонкогомельченного гематитового концентрата с применением вихре-акустического диспергатора, а также разработан регламент на процесс диспергирования концентрата.

Разработана методика расчета вихре-акустических диспергаторов: расчет скорости струи газа на входе в основную камеру измельчения; аэродинамика основной камеры измельчения вихре-акустического диспергатора; расчет собственных частот резонаторов

Опытно-промышленный вихре-акустический диспергатор был изготовлен с использованием основных положений диссертационной работы и использован в технологической линии по производству пигмента на ООО ТПК «КРЭМ» с целью получения тонкодисперсного порошка для приготовления эмалей. Проведенные испытания показали

эксплуатационную надежность изготовленной установки. Были получены следующие результаты: производительность - до 25-30 кг/ч, удельные энергозатраты ц = 0.65 кг/кг, диапазон собственных частот резонаторов 240390 Гц.

Экономический эффект от внедрения вихре-акустического диспергатора составил 168,3 тыс. руб. в год (в ценах 2006 г.)

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ уровня развития и состояния помольного оборудования для тонкого и сверхтонкого измельчения материалов и возможных путей их совершенствования, методов описания процессов измельчения в вихревых агрегатах.

2. Проанализированы возможности использования вихре-акустических эффектов для интенсификации технологических процессов, в частности процесса диспергирования материалов в струйных мельницах.

4. Исследованы аэроакустические взаимодействия в вихревых аппаратах и возможность управления аэродинамическими параметрами в них.

3.Разработана математическая модель вихревого движения двухкомпонентной смеси в камере измельчения ВАД.

4. Разработана модель, описывающая процесс изменения массы и скорости частицы в процессе истирания в камере измельчения.

5. Предложена математическая модель квазистатического и динамического нагружения частиц с различными физико-механическими свойствами в камере измельчения вихре-акустического диспергатора.

6.Разработана математическая модель процесса измельчения в вихре-акустическом диспергаторе на основе обобщенной системы аэродинамических уравнений.

7. Исследован процесс износа внутренних поверхностей камеры измельчения. Обоснована необходимость футеровки рабочих поверхностей камеры измельчения износостойкими материалами.

8. С помощью имитационного моделирования получены распределения скоростей, давлений, плотностей энергоносителя в камере измельчения вихре-акустических диспергаторов различных типоразмеров.

9. Проведены экспериментальные исследования, которые позволили определить акустические параметры резонаторов, влияющие на эффективность процесса измельчения в вихре-акустическом диспергаторе.

10. Разработана методика расчета основных аэродинамических параметров вихре-акустического диспергатора.

11. Предложена методика проектирования малотоннажных комплексов для тонкого и сверхтонкого диспергирования материалов с использованием вихре-акустических диспергаторов.

12. На уровне изобретения ( патент РФ № 2250138 ) разработан вихре-акустический диспергатор.

13. Проведены опытно-промышленные испытания вихре-акустического диспергатора при измельчении различных материалов. Рекомендуемый режим работы вихре-акустического диспергатора составляет: Рк„ = 0.3-0.5 МПа, Q =25-30 кг/ч, удельные энергозатраты q = 0.65 кг/кг, собственные частоты резонаторов для измельчаемых материалов 240-390 Гц. Суммарный экономический эффект от использования выполненных разработок составляет 168,3 руб. в год.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Горлов A.C., Федоренко Б.З. Дробление материала в плоской помольной камере струйной мельницы.// П Международная научно-практическая конференция-школа-семинар «Сооружения, конструкции, технологии и строительные материалы XXI века», Белгород, - 1999. Ч.З.— С.33-35.

2. Горлов A.C., Федоренко Б.З. Аэродинамика струйных мельниц с плоской помольной камерой.// II Международная научно-практическая конференция-школа-семинар «Сооружения, конструкции, технологии и строительные материалы XXI века», Белгород, - 1999. Ч.З.- С.36-38.

3. Севостьянов B.C., Перелыгин Д.Н., Горлов А.С, Вольхин О.Б. Вихре-акустические диспергаторы для малотоннажных технологий.// Международная научно-практическая конференция «Качество, безопасность, энерго - и ресурсосбережение в промышленности строительных материалов и строительстве на пороге XXI века», Белгород, - 2000. Ч.4.— С.265-269.

4. Горлов A.C., Перелыгин Д.Н. Аэродинамические взаимодействия в плоской помольной камере.// Международная научно-практическая конференция «Качество, безопасность, энерго — и ресурсосбережение в промышленности строительных материалов и строительстве на пороге XXI века», Белгород, - 2000. Ч.4.- С.35-38.

5. Горлов A.C., Федоренко Б.З. Математические модели процесса диспергирования материалов в вихревых потоках.// Материалы седьмых академических чтений «Современные проблемы строительного материаловедения», Белгород, -2001.—С.82-86.

6. Горлов A.C. Аэроакустические взаимодействия в вихре-акустическом диспергаторе.//Современные проблемы строительного материаловедения: Материалы 111 Междунар. науч.-практич. конф.- шк.-сем. молод, учен., аспир. и докторантов. — Белгород: Изд-во БелГТАСМ, 2001. - 4.2. -

С.143-147.

7. Севостьянов B.C., Горлов A.C. Резонаторы Гельмгольца в помольной камере вихре-акустического диспергатора.//Современные проблемы строительного материаловедения: Материалы 111 Междунар. науч.-практич. конф,- шк.-сем. молод, учен., аспир. и докторантов. -Белгород: Изд-во БелГТАСМ, 2001. - 4.2. - .-С.167-172.

8. Горлов A.C., Исследования акустического воздействия на диспергируемые частицы.// Научное издание «Вестник БелГТАСМ»: Научно-теоретический журнал:- Белгород: изд-во БелГТАСМ, 2003.-№3.-С. 74-77.

9. Горлов A.C., Перелыгин Д.Н. Одномерные акустические волны в

твердом теле.//Современные проблемы строительного

материаловедения: Материалы 111 Междунар. науч.-практич. конф.-шк.-сем. молод, учен., аспир. и докторантов. — Белгород: Изд-во БелГТАСМ, 2001.- 4.2. - С. 173-176.

10. Севостьянов B.C., Горлов A.C., Перелыгин Д.Н. Исследование траекторий движения частиц в вихревой мельнице.//Научное издание «Вестник БГТУ»: Научно-теоретический журнал:- Белгород: изд-во БГТУ, 2003.-№ 6.-С.354-357.

11. Севостьянов B.C., Горлов A.C. Исследование процесса истирания частиц в вихревой камере.//Всероссийская научно-практическая конференция « Наука и инновационные технологии для регионального развития », Пенза, - 2003г.- С. 102-105.

12. Севостьянов B.C., Горлов A.C., Нечаев С.П. Влияние характерного размера частиц на процесс измельчения в вихре-акустическом диспергаторе./ЯП Всероссийская научно-техническая конференция

« Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и

технике», Пенза2003г.- С. 34-38.

13. Горлов A.C., Нечаев С.П., Перелыгин Д.Н. Показатели эффективности работы вихре-акустических диспергаторов// Научное издание «Вестник БГТУ»: Научно-теоретический журнал:- Белгород: изд-во БГТУ, 2005-№ 11. —С.157-160.

14. Севостьянов B.C., Горлов A.C., Нечаев С.П., Перелыгин Д.Н.,

Рациональное проектирование энерго- и ресурсосберегающих процессов и комплексов тонкого и сверхтонкого измельчения материалов// Научное издание «Вестник БГТУ»: Научно-теоретический журнал:- Белгород: изд-во БГТУ, 2005.-№ 11.-С.211-215.

15. Горлов A.C., Перелыгин Д.Н. Движение дисперсной фазы в ограниченном вихревом потоке. Материалы 1П всероссийской научно-технической конференции. Вологда: ВоГТУ, 2005. -Т.1. - С. 127-130.

16. Севостьянов B.C., Горлов A.C., Перелыгин Д.Н. Исследование условий износа рабочей камеры вихре-акустического диспергатора// Энергосберегающие технологические комплексы и оборудование на ПСМ. Белгород 2003 г. -С. 208-214.

17. Патент на изобретение № 2226432 РФ «Вихре-акустический диспергатор» Бюл. № 10 от 10.04.2004, авторы Севостьянов B.C., Лесовик B.C., Перелыгин Д.Н., Горлов A.C. Нечаев С.П.

18. Патент на изобретение № 2250138 РФ «Вихре-акустический диспергатор». Бюл. № 11 от 20.04.2005, авторы Гридчин A.M., Севостьянов B.C., Лесовик B.C., Горлов A.C., Федоренко Б.З., и др.

19. Гридчин A.M., Севостьянов B.C., Лесовик B.C., Горлов A.C., Перелыгин Д.Н., Романович A.A., Колесников A.B. Энергоресурсосберегающие комплексы тонкого и сверхтонкого измельчения материалов// Известия ВУЗов. Строительство 2006 г.- №11,12

Подписано в печать Д./0. 06 Формат 60x84/16

Усл. п. л. -\,1 Тираж 100 Заказ № 201

Отпечатано в Белгородском государственном технологическом Университете им. В.Г. Шухова. 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46.

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Современное состояние техники и технологии для тонкого и сверхтонкого диспергирования материалов

1.2. Агрегаты для струйного диспергирования материалов и методики их расчета

1.2.1 .Мельницы с вертикальной трубчатой камерой

1.2.2.Противоточная струйная мельница

1.2.3 .Мельницы с плоской помольной камерой

1.2.4. Пневматические струйные мельницы

1.2.5. Вихревые мельницы

1.3. Анализ процесса измельчения материалов в струйных мельницах

1.4. Основные закономерности акустических процессов в вихревых аппаратах

1.4.1. Акустические генераторы звуковых колебаний

1.5. Выбор рациональной конструкции вихре-акустического диспергатора

1.6. Цель и задачи исследований

1.7. Выводы 37 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВИХРЕВЫХ И

АКУСТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

2.1 .Основные уравнения вихревого движения.

2.2. Движения дисперсной фазы в ограниченном вихревом потоке

2.3. Резонаторы Гельмгольца в камере вихре-акустического диспергатора

2.4. Математические модели процесса измельчения материалов в вихре-акустическом диспергаторе 56 2.4.1 Силы, действующие на частицы в вихревом потоке камеры измельчения вихре-акустического диспергатора

2.4.2 Процесс истирания частиц в камере измельчения

2.4.3. Математическая модель квазистатического и динамического нагружения частиц в камере вихре-акустического диспергатора

2.4.4. Математическая модель процесса измельчения в вихре-акустическом диспергаторе на основе обобщенной системы аэродинамических уравнений

2.5. Выводы

ПЛАН И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 .Основные положения экспериментальных исследований

3.2.Описание экспериментальной установки

3.3. Характеристика исследуемого материала

3.4. Выводы. 104 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВИХРЕ

АКУСТИЧЕСКОГО ДИСПЕГАТОРА

4.1.Исследование аэродинамических параметров основной камеры измельчения вихре-акустического диспергатора

4.2.Исследование влияния основных параметров на эффективность процесса измельчения в вихре-акустическом диспергаторе

4.3.Исследование условий износа камеры измельчения вихре-акустического диспергатора

4.4. Выводы 124 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭНЕРГО- И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ

ПРОЦЕССОВ И КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ ТОНКОГО И СВЕРХТОНКОГО ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ

5.1.Разработка технологической линии для производства тонкоизмельченного гематитового концентрата с применением вихре-акустического диспергатора

5.2. Разработка технологического регламента на процесс измельчения железорудного концентрата на технологической линии с применением вихре-акустического диспергатора

5.3. Промышленные испытания вихре-акустического диспергатора.

5.4 Методика расчета вихре-аку стического диспергатора

5.5.Выводы

В последние годы в связи с развитием новых технологий значительно повысился интерес к проблеме тонкого измельчения. Высоко дисперсные материалы используются в строительной, химической, фармацевтической, косметической и других отраслях промышленности. Для получения порошкообразных материалов существует необходимость создания малотоннажных технологических комплексов, к которым предъявляются высокие требования. Они должны иметь высокую эффективность, компактность, незначительный удельный расход энергии. Широко распространенные в различных областях технологии измельчители с мелющими телами (барабанные шаровые, вибрационные, планетарные мельницы и др.), как правило, не обеспечивают высокую тонкость помола при большой производительности. К тому же мелющие тела в силу их износа являются источником загрязнения конечного продукта металлическими примесями. В связи со сказанным весьма актуальная задача создания эффективных измельчителей без мелющих тел [5,7,8,12,13,64].

Одним из перспективных видов тонкого помола, позволяющих достичь большой производительности при высокой чистоте конечного продукта, является струйное измельчение. Принцип высокоскоростного ударного разрушения, положенный в основу работы струйных мельниц, и малая степень агрегации частиц в газовом потоке обеспечивают тонкодисперсный помол материалов с широким диапазоном их физико-химических свойств: мягких, средней твердости, термопластических, пластичных губчатой структуры, кристаллических, аморфных и др. [5,7,68,41].

Среди множества различных конструкций аппаратов можно выделить два существенно различных вида измельчителей: 1) аппараты, измельчение в которых происходит за счет соударения частиц, разогнанных в газовом потоке, с отбойной плитой; 2) измельчители, в которых соударяются частицы, принадлежащие различным струям, пересекающимся в помольной камере. Более перспективными представляются вихревые мельницы, в которых измельчение исходного материала стимулирует путем создания зон звуковых и ультразвуковых колебаний, поперечных к вращающемуся газодисперсному потоку [4].

В помольных объемах вихре-акустического диспергатора (ВАД) создается комплекс возмущающих воздействий на поле течения, приводящих к возникновению и накоплению в частицах внутренних напряжений и дефектов структуры. Частицы подвергают на твердой границе области измельчения квазистатическому (безударному) двухосному периодическому нагружению и разгружению в условиях высокочастотных вихревых, пульсационных и акустических возмущений [34,44]. Вследствие чего происходит саморазрушение частиц или облегчается их разрушение при взаимных столкновениях и контактах с рабочими поверхностями камер [51, 52].

В настоящее время не существует строгой концепции выбора динамических и технологических параметров для вихревого измельчения. Поэтому задача моделирования процессов, происходящих в вихре -акустических диспергаторах, весьма актуальна.

Проблема объясняется, в известной степени, сложностью самой структуры течения двухфазовой среды, ее особенностями, связанными с влиянием массовых центробежных сил, взаимодействием закрученного потока с поверхностями помольной камеры [4,5,8,10].

Общая структура течения может быть охарактеризована как минимум двумя крупными областями рециркуляции: приосевой и периферийной, а так же наличием сложного, зигзагообразного движения среды между ними; значительной интенсивностью турбулентности потока; различного рода неустойчивостью режима течения (гистерезисные явления [16,23]) и т.п.

Аэродинамические расчеты камер вихревого типа очень усложняется, принимая во внимание традиционные для инженерной практики процессы измельчения материалов[51,58,66,121]. Поэтому, в настоящее время не существует точных аналитических и численных решений полной системы уравнений в замкнутом виде.

Аэродинамика вихре-акустического диспергатора усложняется наличием аэроакустического взаимодействия в объеме помольной камеры, создаваемого наличием резонаторов в ней [23,27].

Для решения рассматриваемой задачи многими авторами проведены достаточно серьезные исследования с привлечением теоретических, экспериментальных и численных подходов, описывающие многие стороны течения в вихревой мельнице [5,6,7,11]. Однако все они далеки от окончательного решения этой проблемы, в связи, с чем остаются актуальными численные методы расчета вихре-акустических диспергаторов.

Работа посвящена разработке теории процессов, проходящих в вихре-акустических диспергаторах, для сверхтонкого измельчения материалов с различными физико-механическими свойствами. А также, разработке математического аппарата для расчета конструктивно-технологических параметров вихре-акустических диспергаторов.

В качестве рабочей гипотезы положено, что эффективность работы вихревых мельниц может быть значительно повышена путем рациональной организации потока двухфазной смеси и комплексным вихре-акустическим воздействием на аэродинамику и диспергируемые частицы.

Идея работы заключается в организации способа разрушения частиц материалов в камерах вихре-акустических диспергаторов путем комплексного воздействия на них. Интенсивное разрушение частиц измельчаемого материала в помольном объеме осуществляется за счет использования рациональной комбинации газодинамических элементов, резонаторов, являющихся источниками возмущения параметров течения в камерах измельчения. Эти возмущения реализуются в виде зон ускорения и торможения потока, локального отрыва и последующего присоединения потока к стенкам камеры; пульсационных (турбулентной и расходной природы) и акустических колебаний параметров с изменяющимися в широких переделах амплитудами и особенно частотами колебаний; возвратно-циркуляционным характером течения в нем; стационарных и периодических вихревых движений с различной ориентировкой осей вихрей; прямых и обратных осевых вращающихся потоков со слоями смешения на границах их раздела и большими градиентами параметров поперек этих слоев. Частицы подвергают на твердой границе области измельчения квазистатическому (безударному) двухосному периодическому силовому нагружению и разгружению в условиях высокочастотных вихревых, пульсационных и акустических циклических возмущений. Создаются условия для усталостного объемного разрушения частиц путем механоколебательного и термофлуктуационного разрыва межионных связей в кристаллах. Чем большее количество возмущающих воздействий испытывает частица на пути ее входа в камеру до выхода из нее, тем выше уровень накопленных ею внутренних напряжений и тем большая вероятность ее разрушения.

Научная задача состоит в изучении процесса тонкого измельчения в вихре-акустических диспергаторах с использованием физических и математических моделей с целью получения наиболее рациональных режимов и параметров их работы.

Цель работы: разработка математического аппарата для описания, изучения процессов измельчения и методик расчета конструктивно-технологических параметров вихре-акустических диспергаторов обеспечивающих повышение эффективности процесса получения высоко дисперсных материалов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ существующих конструкций струйных, вихревых, противоточных мельниц выявить их достоинства и недостатки.

2. Разработать новую конструкцию вихре-акустического диспергатора.

3. Провести теоретические исследования процессов вихре-акустического взаимодействия в камерах измельчения ВАД.

4. Провести теоретические исследования процессов вихре-акустического диспергирования материалов в ВАД.

5. Разработать математические модели процессов измельчения материалов в ВАД.

6. Провести экспериментальную проверку на лабораторных установках разработанных математических моделей процессов, проходящих в ВАД.

Научная новизна работы представлена математической моделью движения двухкомпонентной смеси в камерах измельчения ВАД; уравнением, описывающим процесс изменения массы частицы в процессе истирания; уравнениями, отражающими характер комплексного воздействия на частицы измельчаемого материала; системой уравнений для определения траекторий движения частиц в вихревом потоке; математической моделью процесса измельчения в вихре-акустическом диспергаторе на основе обобщенной системы аэродинамических уравнений.

Реализация работы. Диссертационная работа проводилась в БГТУ в рамках выполнения г/б НИР: «Разработка научных основ получения мелкодисперсных порошков в аппаратах с повышенной энергонапряженностью». Основные результаты исследований были представлены и обсуждены на научно технических конференциях, проводимых в БГТУ: 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 «Материалы седьмых академических чтений РААСН», Белгород, -2001, а также в других городах России: Пенза, - 2003; Вологда,-2005.

Публикации. По результатам работы опубликовано 17 печатных работ, получено два патента на изобретения (РФ № 2226432 , РФ № 2250138).

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и заключения, содержащего основные результаты и выводы. Работа включает 171 страницу, 10 таблиц, 89 рисунков, список литературы из 125 наименований и 5 приложений на 31 странице.

5.6. Общие выводы

1. Проведен анализ уровня развития и состояния помольного оборудования для тонкого и сверхтонкого измельчения материалов и возможных путей их совершенствования.

2. Проведен анализ методов описания процессов измельчения в струйных агрегатах.

3. Проанализированы возможности использования вихре-акустических эффектов для интенсификации технологических процессов, в частности процесса диспергирования материалов в струйных мельницах.

4. Исследованы аэроакустические взаимодействия в вихревых аппаратах и возможность управления аэродинамическими параметрами в них.

5. Разработана математическая модель вихревого движения двухкомпонентной смеси в камере измельчения ВАД.

6.Разработана модель, представленная системой уравнений, описывающая процесс изменения массы и скорости частиц в процессе истирания в камере измельчения.

7.Предложена математическая модель квазистатического и динамического нагружения частиц с различными физико-механическими свойствами в камере измельчения вихре-акустического диспергатора.

8.Разработана математическая модель процесса измельчения в вихре-акустическом диспергаторе на основе обобщенной системы аэродинамических уравнений.

9. Исследован процесс износа внутренних поверхностей камеры измельчения. Обоснована необходимость футеровки рабочих поверхностей камеры измельчения, использования износостойких материалов для изготовления камер измельчения вихре-акустических диспергаторов.

10. С помощью имитационного моделирования получены распределения скоростей, давлений, плотностей энергоносителя в камере измельчения вихре-акустических диспергаторов различных типоразмеров.

11. Проведены экспериментальные исследования, которые позволили определить акустические параметры резонаторов, влияющие на эффективность процесса измельчения в вихре-акустическом диспергаторе.

12. Разработана методика расчета основных аэродинамических параметров вихре-акустического диспергатора.

13. Предложена методика проектирования малотоннажных комплексов для тонкого и сверхтонкого диспергирования материалов с использованием вихре-акустических диспергаторов.

14. На уровне изобретения ( патент РФ № 2250138 ) разработан вихре-акустический диспергатор.

15. Проведены опытно-промышленные испытания вихре-акустического диспергатора при измельчении различных материалов. Рекомендуемый режим работы вихре-акустического диспергатора составляет: Росн = 0.3-0.5 МПа,

Q =25-30 кг/ч, удельные энергозатраты q = o.65 кг/кг, собственные частоты резонаторов для измельчаемых материалов 240-390 Гц. Суммарный экономический эффект от использования выполненных разработок составляет 168,3 тысяч руб. в год.

1. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. Изд. 3-е. М.: Наука, 1969.824 с.

2. Абрамович Г.Н., Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1976. 323 с.

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

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

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

6. Акунов В.И. Струйные мельницы. Элементы теории и расчета. М.: Машиностроение, 1967. -267 с.

7. Александров А.В., Потапов В.Д., Державин Б.И. Сопротивление материалов-М.: Высшая школа, 1995-560 с.

8. Кольский Г. Волны напряжения в твердых телах. Изд-во иностранной литературы. 1955. -190 с.

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

10. Ю.Абрамович Г.Н., Гиршович Т. А. О диффузии тяжелых частиц в турбулентных потоках// ДАН СССР. 1973.Т.212.№ 3. -С.573-576.

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

12. Арещенко В.И., Абрамович Н.Г., Бухман М.А., Романов Л.Г. Исследование аэродинамики вихревых камер с сосредоточенным хордальным подводом газа // Вихревой эффект и его промышленное применение. Куйбышев, 1984.-С. 179-184.

13. З.Архипов В. А., Негодяева М.П., Обухов Н.А., Графимов В.Ф. Экспериментальное исследование аэродинамики закрученных потоков в осесимметричных каналах и вихревых камерах // Пристенные струйные потоки. Новосибирск, 1984. - С.70-76.

14. Н.Ахмедов Р.Б. Аэродинамика закрученной струи. М.: Энергия, 1977. - 238 с.

15. Бабуха Г. Л., Рабинович М.И. Механика и теплообмен потоков полидисперсной газовзвеси. Киев: Наукова думка, 1969. -227 с.

16. Бабуха Г.Л., Шрайбер А.А. Взаимодействие частиц полидисперсного материала в двухфазных потоках. Киев: Нукова думка, 1972. -245 с.

17. Балуев Е.Д., Троянкин Ю.В. Исследование аэродинамической структуры газового потока в циклонной камере// Теплоэнергетика. 1967. № 1. С. 63-64.

18. Банит Ф.Г., Несвижский О.А. Механическое оборудование цементных заводов. Машгиз, 1967. 387 с.

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

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

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

22. Белоусов А.Н. Исследование турбулентных и акустических характеристик закрученного воздушного потока в коротких вихревых камерах // Вихревой эффект и его промышленное применение. Куйбышев, 1981. - С. 303-307.

23. Бодров В.И., Дворецкий С.И., Дворецкий Д.С. Оптимальное проектирование энерго и ресурсосберегающих процессов и аппаратов химической технологии.// Теор. основы хим. технол.1997. Т. 31.№5. - С 542-548.

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

25. Барановский С.И. Особенности высокоскоростных двухфазных газожидкостных струй.// Турбулентные двухфазные течения и техника эксперимента. Таллин. 1985. С. 60-65.

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

27. Вараксин А. Ю. Турбулентные течения газа с твердыми частицами.-М.: ФИЗМАТ ЛИТ, 2003. 192 с.

28. Васильев A.M. Введение в статистическую физику. М.: Высшая школа, 1980. -178 с.

29. Волчков Э.П., Смульский И.И. Аэродинамика вихревой камеры с торцевым и боковым вдувом // Теорет. Основы хим. Технологии.- 1983.Т-17. № 2. С.214-219.

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

31. Гиневский А.С., Власов Е.В., Колесников А.В. Аэродинамические взаимодействия. М.: Машиностроение. 1978.-170 с.

32. ГольдштикМ.А. Вихревые потоки. Новосибирск: Наука, 1981. 366 с.

33. Горбис З.И. Теплообмен и гидромеханика дисперсных сквозных потоков. М.: Энергия, 1970.-423 с.

34. Горлов А.С. , Перелыгин Д.Н. Аэродинамические взаимодействия в плоской помольной камере// Сб. докл. II Международной научн.-практич. конф. -Белгород: Изд-во БелГТАСМ, 1999. С.35-38.

35. Горлов А.С., Перелыгин Д.Н. Движение дисперсной фазы в ограниченном вихревом потоке. Материалы III всероссийской научно-технической конференции Вологда: ВоГТУ, 2005. - Т. 1. - С. 127-130.

36. Горлов А.С., Федоренко Б.З. Математические модели процесса диспергирования материалов в вихревых потоках // Материалы седьмых академических чтений РААСН/ Белгород гос. техн. акад. строит, мат. -Белгород, 2001. ч.2. - С. 82 - 86.

37. Горлов А.С., Федоренко Б.З.Аэродинамика струйных мельниц с плоской помольной камерой // Сооружения, конструкции, технологии и строительные материалы XXI века: Сб. докл. II Международной научн.- практич. конф. -Белгород: Изд-во БелГТАСМ, 1999. С. 36-38.

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

39. Гридчин A.M., Севостьянов B.C., Лесовик B.C., Горлов А.С., Перелыгин Д.Н., Федоренко Б.З. Патент на изобретение № 2250138 от 20.04.2005 г. РФ «Вихре-акустический диспергатор».

40. Гридчин A.M., Севостьянов B.C., Лесовик B.C., Горлов А.С., Перелыгин Д.Н., Романович А.А., Колесников А.В. Энерго-ресурсосберегающие комплексы тонкого и сверхтонкого измельчения материалов// Известия ВУЗов. Строительство 2006 г.- №11. -С.60-67.

41. Гавин Л.Б., Наумов В.А., Шор В.В. Численное исследование газовой струи с тяжелыми частицами на основе двухпараметрической модели турбулентности//ПМТФ. 1984.№1.- С.144-148.

42. Гупта А., Лилли Д., Сайред Н. Закрученные потоки. М.: Мир, 1987. -237 с.

43. Дешко Ю.И, Креймер М.Б., Крыхтин Г.С. Измельчение материалов в цементной промышленности. М.: Наука, 1983. 252 с.

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

45. Ерофеев В.И. Волновые процессы в твердых телах с микроструктурой. М.: Изд-во МГУ, 1999.-327 с.

46. Жигалко Е.Ф. Динамика ударных волн Л.: Изд-во Ленинград. Унта, 1987. -214 с.

47. Зарембо JI.K., Красильников В.А. Введение в нелинейную акустику .-М.: Наука, 1966.-520 с.

48. Зверев Н.И., Ушаков С.Г. Методика оценки эффективности сепарации пыли. Электрические станции, 1968, №11,- С. 6 9.

49. Зедгикидзе И.Г. Планирование эксперимента для исследования многокомпонентных систем. М.: Наука, 1976.-330 с.

50. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Госэнергоиздат, 1975. - 599 с.

51. Инвестиционное проектирование. Практическое руководство по экономическому обоснованию инвестиционных проектов. / Науч. ред. С.И.Шумилин. М.: Ринстатистинформ, 1995. - 280 с.

52. Исакович М.А. Общая акустика. М.: Наука, 1973. 495 с.

53. Кафаров В.В. Основы массопередачи. Изд. 2-ое. М., Высш. школа, 1972. -224 с.

54. Кафаров В.В., Дорохов И.Н., Арутюнов С.Ю. Системный анализ процессов химической технологии. М.: Наука, 1985. 440 с.

55. Качанов Л.М. Основы механики разрушений. М.: Наука , 1974. -311 с.

56. Кащеев В.Н. Абразивное разрушение твердых тел М.: Наука, 1970. 247 с.

57. Керстен И.О. Аэродинамические испытания вентиляторных установок. Справочное пособие. М.: Недра, 1986. - 194 с.

58. Кныш Ю.А. О влиянии автоколебаний на гидравлическое сопротивление вихревой трубки //Инж. Физ. Журн. 1979. Т. 37. № 1. -С. 59-64.

59. Кныш Ю.А., Лукачев С.В. Экспериментальное исследование вихревого генератора звука // Акуст. Журн. 1977. Т. 33. Вып. 5. С. 776-782.

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

61. Кошляков Н.С. Глинер Э.Б., Смирнов М.М. Основные дифферинциальные уравнения математической физики. -М.: Физмат, 1962. 768 с.

62. Кравчун П.Н. Генерация и методы снижения шума и звуковой вибрации, М.: Издательство Московского университета, 1991 г., 183 с.

63. Кремлевский П.П. Расходомеры. М. Л., Машгиз, 1963. - 658 с.

64. Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств. М.: Машиностроение, 1974. - 456с.

65. Лаатс М.К. Некоторые задачи и проблемы расчета струи с тяжелыми частицами// Турбулентные двухфазные течения. Ч. 1. Таллин. 1982. С.49-61.

66. Ландау Л.Д., Лифшиц В.М. Гидродинамика. М.: Наука, 1988г. 736 с.

67. Лебедев М.Г., Теленин Г.Ф. Частотные характеристики сверхзвуковых струй. Н.: Наука, 1990. 246 с.

68. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1987 г., -840 с.

69. Лященко П.В. Гравитационные методы обогащения. М.: Госгортехиздат, 1940.-612 с.

70. Малверн Л. Распространение продольных пластических волн с учетом влияния скорости деформации/Механика. Сб. перев. и обзоров. Иностр. период, лит. 1952.N 1. С. 153-161.

71. Месчян С.Р. Механические свойства грунтов и лабораторные методы их определения Койфман М.И. Прочность минеральных частиц высокой стойкости.//.-М.: Недра, 1974.- 191 с.

72. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов и отбору для финансирования. М.: 1994 г. 46 с.

73. Мизонов В.Е. Ушаков С.Г. Аэродинамическая классификация порошков М.: Химия, 1989.-283.с.

74. Милн В.Э. Численное решение дифференциальных уравнений. М.: Издательство иностранной литературы. 1955. 240 с.

75. Муромкин Ю. Н. Исследование процессов сепарации порошкообразных материалов в воздушно проходных сепараторах. Автореф. дис. . канд. техн. наук. - Иваново.: ИЭИ, 1979. - 163 с.

76. Осокин В.П. Молотковые мельницы. -М.: Энергия, 1980. 176 с.

77. Островский Г.М., Волин Ю.М., Барит Е.И., Сенявин М.М. Оптимизация химико технологических процессов в условиях неопределенности // Теор. основы хим. технол.1993. Т. 27.№2. - 183 с.

78. Островский Г.М., Волин Ю.М., Головашкин Д.В. Алгоритм гибкости и оптимизации химико-технологических систем в условиях неопределенности исходной информации// Докл. РАН. 1995 Т.345. № 2. С. 202- 216.

79. Павловский А. Н. Измерение расхода и количества жидкостей, газа и пара. Изд. 2-е. М., Стандартгиз ,1967. 416 с.

80. Патент № JP 8299833 кл. В02 С19/06, 1995 г. (Япония).

81. Патент на изобретение № 2226432 от 10.04.2004 г. РФ «Вихре-акустический диспергатор». Севостьянов B.C., Лесовик B.C., Перелыгин Д.Н., Горлов А.С. Нечаев С.П

82. Патент на изобретение № 2250138 от 20.04.2005 г. РФ «Вихре-акустический диспергатор». Гридчин A.M., Севостьянов B.C., Лесовик B.C., Горлов А.С., Перелыгин Д.Н.,. Федоренко Б.З.

83. Паус К.Ф., Евтушенко И.С. Химия и технология мела. М.: Стройиздат, 1977. -130 с.

84. Пирумов У.Г., Росляков Г.С. Течение газа в соплах. Изд-во МГУ, 1978. 284с.

85. Потураев В.Н., Волошин А.И., Пономарев Б.В. Вибрационно-пневматическое транспортирование сыпучих материалов. Киев.: Наук, думк., 1989. - 248 с.

86. Правила 26-64. Измерение расхода жидкостей, газов и паров стандартными диафрагмами и соплами. М.: Издательство стандартов, 1964. 152 с.

87. Русланов А.А. Справочник по пыле- и золоулавливанию. М.: Энергоиздат, 1983.-312 с.

88. Рыбин В.Р., Бронштейн С.Я. Исследование отбойно-вихревых классификаторов. Сборник трудов ВНИИНСМ, 1960. 132 с.

89. Рычков А.Д. Математическое моделирование газодинамических процессов в каналах и соплах. Новосибирск.: Наука, 1988. - 222с.

90. Сажин Б.С. Гудим Л.И. Вихревые пылеуловители. М.: Химия, 1995. -238 с.

91. Сапожников М.Я. «Механическое оборудование предприятий строительных материалов и конструкций» М.: «Высшая школа», 1971. 382с.

92. Севостьянов B.C., Горлов А.С., Перелыгин Д.Н. Исследование условий износа рабочей камеры вихре-акустического диспергатора// Энергосберегающие технологические комплексы и оборудование на ПСМ. Белгород 2003 г. -С. 208-214.

93. Севостьянов B.C., Перелыгин Д.Н., Горлов А.С., Вольхин О.Б. Вихре-акустические диспергаторы для малотоннажных технологий.//-Белгород: Изд-во БелГТАСМ, 1999. С.265-269.

94. Седов Л.И. Плоские задачи гидродинамики и аэродинамики- М.: Наука, 1965.-288 с.

95. Смышляев Г.К. Воздушная классификация и технологии переработки полезных ископаемых. М.: Недра, 1969. 101с.

96. Соколов Е.Я., Зингер Н.М, Струйные аппараты. Изд. 2-ое. М.: Энергия, 1970.-288 с.

97. Соколовский В.В. Распространение упругих продольных волн в стержнях// ПММ 1948. Т. 12. Вып. 3. -С. 261—280.

98. Стернин Л.Е. Двухфазные моно- и полидисперсные течения газа с частицами. -М.: Машиностроение, 1980. 172с.

99. Стернин Л.Е. Основы газодинамики двухфазовых течений в соплах. М.: Машиностроение, 1978. - 284с.

100. Струминский В.В. Аэродинамика и молекулярная газовая динамика. М.: Наука, 1985.-312 с.

101. Тихонов А.Н., Самарский А.А Уравнения математической физики.- М.: Наука, 1966,-724с.

102. Ушаков С.Г. Ковалев И.А., Склабинский В.И. Гидродинамика двухфазных потоков в вихревом противоточном массообменном аппарате // Изд. Вузов. Химия и хим. Технол. 1982. № 7. 894 с.

103. Ушаков С.Г., Зверев Н.И. Инерционная сепарация пыли.- М.:Энергия, 1974.- 165 с.

104. Ушаков С.Г., Мизонов В.Е. Аэродинамическая классификация порошков М.: Химия, 1989.-160с.

105. Халатов А.А. Вихревой эффект и его промышленное применение. -Новосибирск: Наука, 1983. 230 с.

106. Ходаков Г.С. Основные методы дисперсного анализа порошков. М.: Стройиздат, 1972.-239с.

107. Ходаков Г.С. Тонкое измельчение строительных материалов. Москва, 1972.-230 с.

108. Ходаков Г.С. Физика измельчения. М.: Наука, 1972. - 307 с.

109. Циклаури Г.В., Данилин B.C., Селезнев Л.И. Адиабатные двухфазные течения. М.: Атомиздат, 1973. -324 с.

110. Цирекидзе Т.В. Раздача воздуха клиновым воздуховодом с боковыми отверстиями одинаковых размеров. Водоснабжение и санитарная техника, 1979.-№3.

111. Чепмен С., Каулинг Т. Математическая теория неоднородных газов. М.: Изд-во иностр. Лит., 1960. -272 с.

112. Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения. М.: Наука, 1974 - 640 с.

113. Штым А.Н. Аэродинамика циклонно вихревых камер, Владивосток, 1985.-199 с.

114. Charles RJ. High Velocity impact in commination. Mining Engeneering, Vol.9, 1957.

115. Haleman К. R., Grossman I.E. Optimal process design under uncertainty// AIChE.J. 1983.V.29.No.3.P.425

116. Kurten H., RinkN., RumpfH. // Powder Technol. 1969/1970. No3. Р/ 92.

117. Nakajama N., Inui K., Sugiyma H. Development of new materials by jet mills/ CCP Edition Europe, 1987 Desember. P. 61 - 64.

118. New ideas in minneral Processing. World Mining Equipment, 1986, June. -P.14-16.

119. Powder diffraction file Search Manual alphabetical listing inorganic. USA, -ASTM, ICPDS, Philadelphia 1974-1998. Set 1-40.

120. Voller V.R. A note on energy size reduction relationships in comminution // Powder Technol. 1983. V. 36. No. 2. P. 281. Noxt 1993 T 27 № 5 (514).