Стратегия развития ГД – технологии измельчения — Технологии измельчения и переработки

Необходимость преодоления внутренних противоречий, связанных с желанием инициатора новых технологий сохранять за собой контроль производства при нехватке собственных средств, обусловливает (диктует) необходимость разделения проекта развития технологии ГДД на три стадии:

завершение исследований и испытаний, включая исследование экономических аспектов производства и сбыта продукции;
освоение производства;
переход к полномасштабному производству продукции в стационарном режиме.

Каждой из трех стадий инновационного проекта соответствует определенная организационная форма наиболее адекватная характеру деятельности, распределению рисков и прав, а также особый подход к оценке прав интеллектуальной собственности.В области газодинамического диспергирования материалов решению задач первой стадии способствует исследование факторов, обеспечивающих определение наиболее приемлемой, с точки зрения объема капиталовложений и эксплуатационных расходов, системы дробления и размола. Организационная форма на первой стадии развития ГД-технологии должна характеризоваться концентрацией полученных результатов, прав их использования, а также всей необходимой для этого информации у одного юридического (или физического) лица.

Анализ направлений развития измельчительного оборудования.

Общие положения.

Процесс измельчения представляет сокращение размеров твердого тела (образование новых поверхностей) путем преобразования энергии подводимой к измельчительному аппарату. Ограниченные энергетические возможности измельчительных аппаратов ограничивают их возможность по сокращению размеров измельчаемых твердых тел. Поэтому для получения требуемой крупности частиц часто прибегают к организации определенной последовательности — стадий сокращения размеров. В этой связи определилась и соответствующая терминология, применяющая термин «дробление» при получении крупных кусков материала и «размалывание» («помол») – при производстве порошкообразных продуктов. Применение указанных терминов способствовало разделению измельчительных агрегатов (аппаратов) на две класса – дробилки и мельницы, однако не обеспечило четкого определения границ такого важного параметра, как величины достигаемых на каждой стадии предельных размеров частиц измельченного материала. Гранулометрический состав и форма кусков дробленого или размолотого продукта в значительной степени зависит от принципа действия измельчающего аппарата и условий его эксплуатации. Эти факторы имеют первостепенную важность, поскольку не только определяют эксплуатационные расходы, но и оказывают решающее влияние на физико-механические и химические свойства получаемого продукта: на величину площади поверхности, химическую активность, прочность частиц, плотность материала при упаковке и т.п. Выход (процентное содержание) дробленого продукта требуемой крупности имеет важное значение, поскольку непосредственно влияет на стоимость производства, повышая её при увеличении отбракованных (не кондиционных) отходов.

Дробление

Конструктивные варианты дробилок

Для реализации первых стадий измельчения – дробления, разработан ряд способов, в основу которых положены принципы ударного, сжимающего (раздавливающего), истирающего разрушений. Для первичного измельчения (дробления) горных пород разработаны несколько модификаций щековых дробилок, конусные, валковые, зубовалковые дробилки. Все указанные типы дробилок являются дробилками раздавливающего типа и пригодны как для первичного измельчения твердых материалов, так и для промежуточных стадий измельчения. asics gel kinsei 6 Величина фракций, получаемых в дробилках, использующих раздавливающий принцип разрушения, определяется величиной зазора выгрузочной щели дробилки в нижней части её рабочего пространства. Для первичного измельчения материалов минерального происхождения хорошо приспособлены щековые дробилки, но, если требуется более высокая производительность, то конусные дробилки обладают рядом преимуществ. Щековые и валковые дробилки пригодны для получения мелких фракций при умеренном объеме производства, конусные дробилки способны перерабатывать значительно больший объем. Зубовалковые дробилки, которые также производят измельчение путем раздавливания, могут давать продукт с ещё более точными размерами фракций при условии применения дробящих зубьев требуемой формы. Степень измельчения в этих дробилках невелика, если машина не оборудована стержневыми зубьями для разбивания крупных кусков породы. Однако применение таких зубьев способствует увеличению разброса по крупности получаемых кусков.

Щековые дробилки

Из всего многообразия конструктивных вариантов щековых дробилок, наибольшее распространение получили дробилки с вертикальной или слегка наклонной неподвижной щекой и с подвижной щекой, которая изменяет размер разгрузочной щели при помощи одной или двух распорных плит. Для первичного дробления твердых, крепких и абразивных материалов наиболее пригодна щековая дробилка с двумя распорными плитами. asics pas cher В этом типе дробилки вал с эксцентриком приводит в движен6ие шатун. Который подымает и опускает пару распорных плит, за счет чего происходит качание подвижной щеки, подвешенной на неподвижном валу. У дробилки с одной распорной плитой подвижная щека подвешена на эксцентриковом валу. А её нижняя часть опирается на распорную плиту. Вращение эксцентрикового вала создает практически круговое движение верхнего конца подвижной щеки и движение по эллипсу её нижнего конца. В настоящее время имеется тенденция к применению дробилок с одной распорной плитой. Меньшая первоначальная стоимость дробилок с одной распорной плитой для многих условий эксплуатации перевешивает более высокие затраты на техническое обслуживание, вызываемое повышенным износом дробящих поверхностей щек из-за вертикального перемещения подвижной щеки, что является характерной особенностью дробилок с одной распорной плитой. Но эта особенность дробилок с одной распорной плитой способствует перемещению материала через рабочую камеру, благотворно влияя на режим дробления. Размер щековой дробилки определяется размерами загрузочного отверстия через которое подается материал. Загрузочное отверстие малых промышленных дробилок равно 610 х 152 мм, у более крупных первичного дробления размер загрузочного отверстия составляет 2130 х1520 мм; производительность этих дробилок колеблется от 600 до 800 тонн в час. Степень измельчения, обеспечиваемая щековой дробилкой. определяется отношением размера загрузочного отверстия к размеру выпускной щели и может колебаться от 5 : 1 до 10 : 1 в зависимости от свойств материала. Любое проскальзывание материала во время рабочего хода дробления означает потерю мощности, потерю производительности и повышение износа рабочих поверхностей щек. Примерно две трети продукта может измельчаться до размеров, меньших установленной ширины щели дробилки, но этот показатель меняется в значительной степени. Для поддержания высокой производительности важно иметь устройства, обеспечивающие регулярную подачу материала в дробилку. …(с.8).

Конусные дробилки

Факторы, определяющие степень измельчения в конусных дробилках, подобны таким же факторам у щековых дробилок. Для заданного размера выгрузочной щели конусная дробилка имеет производительность. превышающую в два раза производительность щековой дробилки, но и стоимость её выше почти в два раза. С другой стороны, как дробилку первичного дробления, конусную дробилку легче освобождать от завалов с помощью соответствующего подъемного крана. Поэтому на практике подачу материала осуществляют непосредственно в дробилку, что исключает необходимость применения тяжелых питателей с вытекающими отсюда экономическими преимуществами. Конусные дробилки также не требуют постоянного наблюдения. Размер дробилки первичного дробления в большей степени определяется размером кусков подаваемого в дробилку материала. Если более высокая производительность конусной дробилки подтверждается экономической целесообразностью, то её часто предпочитают щековой дробилке, в силу её простоты и надежности в эксплуатации.

Размольное оборудование

Для тонкого измельчения промышленностью выпускается большое количество разнообразного оборудования, приспосабливаемого для различных материалов и условий работы в различных отраслях промышленности, сельского хозяйства, медицины. Шаровые и трубные мельницы, молотковые мельницы, дисковые мельницы с пальцами, мельницы с кольцами, струйные мельницы – каждая их разновидность обладает характерными особенностями и может включаться в различные технологические системы для получения тонкомолотых материалов с различными физико-механическими и химическими свойствами. На базе мельниц тонкого помола созданы специализированные технологии по переработке материалов чувствительных к нагреванию, технологии, отвечающие требованиям переработки металлических и неметаллических, минеральных и органических материалов: фосфатов, серы, баритов, а также для производства пластмасс. Выбор подходящего измельчительного оборудования для конкретных технологий производится путем лабораторных испытаний измельчаемости или требуемых изменений используемого в них материала. При этом различают:

— грубый помол, при котором частицы измельченного материала проходят через сито №10 (диаметр отверстий сита равен 1, 67 мм);
— мелкий помол, обеспечивающий получение частиц, проходящих через сито № 200, с диаметром отверстий 0, 076 мм;
— «тонкий» помол, при котором 99,9 % измельченного продукта проходит через сито №300, с диаметром отверстий 0,053 мм;
— «сверхтонкий» помол характеризуется размером частиц менее 44 мкм, не укладывающимся в ситовый анализ.

Газодинамические дезинтеграторы

Характеристика способов разрушения материалов

Относительная универсальность механических способов измельчения, материалов, принцип действия которых основан на взаимодействии мелющих тел (шаров, молотков бил и т. п.) с измельчаемым материалом, определяет их широкое использование, даже в ущерб производительности на отдельных операциях, в силу того, что в условиях производства удобнее применять традиционные однотипные механизмы, чем использовать более эффективные устройства, отличающиеся по принципу действия и требованиям организации работ. С у щ е с т в е н н у ю роль и г р а ют т а к ж е н а лич и е квалифицированных кадров, ремонтной базы и определенная инертность и традиционность технического мышления. Тем не менее общеизвестно, что развитие механических способов не идет по пути интенсификации процессов обработки и характеризуется только тенденцией увеличения усилия, прилагаемого к рабочему органу, при внедрении его в обрабатываемый материал. Увеличение мощностей привода м а шин не дает нового качественного эффекта, но сопровождается ростом массы и габаритов машины, что повышает трудоемкость, энергозатраты, металлоемкость, требует развитой и дорогостоящей ремонтной базы. Увел иче ние ус и л и я на р абочем органе, как правило приводит к его быстрому выходу из строя, а применение дорогостоящих и дефицитных материалов, повышающих его прочность и износостойкость, не даст достаточного эффективно и, часто, экономически невыгодно. Механический рабочий орган стал наиболее уязвимым в технологической схеме получения тонкомолотых материалов. В настоящее время интенсификация процессов измельчения обеспечивается путем применения иных, принципиально отличных технологических процессов и машин, использующих в качестве рабочего органа различные энергетические потоки и поля, вырабатываемые генераторами и направляемые на обрабатываемый объект (измельчаемый материал). Свойства этих потоков и полей таковы, что в самом материале развиваются разрушающие напряжения и изменяющие его физико-химические свойства. По видам воздействия и особенностям процесса немеханические способы обработки Е. П. Боженов (Боженов Е. П. Термогазодинамическая обработка строительных материалов. –М.: Стройиздат, 1985. –208 с.) подразделяет на: — динамические, характеризуемые высокоскоростным динамическим воздействием рабочего энергетического потока (рабочего тела) на обрабатываемый материал, ведущим к потере его целостности; — термические, характеризуемые возбуждением и развитием во времени термических процессов в теле обрабатываемого объекта под действием энергетических полей и потоков, обладающих свойствами, необходимыми для жирования этих процессов; -термогазодинамические, основанные на ударном возбуждении в среде сложного комплекса механических и термических явлений и фазовых переходов, совмещенных с эвакуацией продуктов разрушения от зоны обработки, под термогазодинамическим воздействием высоко скоростного (звукового и сверхзвукового) газового потока, К группе динамических способов относятся взрывной, гидравлический, электрогидравлический и электроимпульсный. Последние два составляют подгруппу электрогидродинамических способов. Широкое распространение получил взрывной способ, характеризующийся воздействием на измельчаемый материал ударных волн в зоне расположения взрывчатых веществ (ВВ) при их детонации. Этим способом дробят большие массивы горной породы, взрывают на выброс талые и мерзлые грунты, дробят негабариты, проходят скважины, раскалывают каменные блоки, направленным взрывом разрушают строительные конструкции и т. д. Основное его преимущество — малая энергоемкость и трудоемкость, недостатки — невозможность поточной технологи при добыче горной массы, ограниченное использование при реконструкции промышленных предприятий из-за наличия ударной воздушной волны и существенного сотрясения почвы и фундаментов. При гидравлическом способе используется динамическая энергия водяной струи, выбрасываемой из сопловой насадки под высоким давлением, что позволяет разрушать рыхлые, мягкие и скальные породы. Угли разрушаются при давлении 2—10 МПа, прочные среды (14—16 по шкале проф. Ж. М. Протодьяконова) при 100—200 МПа и скорости водяной струя 200—500 м/с Электроидравлический способ основан на использовании металлического разрядника (тонкой электрической проволоки, фольги), помещаемого в шпур, заполненный водой или cуcпензией. На разрядник за короткий промежуток времени (10- 4 —10~5 с) подается электрический разpяд такой силы, что материал разрядника мгновенно переходит в газообразное плазменное состояние с температурой 104 — 105 0С. Мгновенное расширение вызывает образование ударных волн в замкнутом пространстве (в шпуре, например) Подгруппа электрогидродинамических способов использует эффект создания в ограниченном гидравлическом объеме (в шпуре) ударных волн, вызванных электрическим разрядом. Жидкость является рабочим телом и объемно воздействует на материал, вызывая в нем механические напряжения выше допустимых. chaussure asics Эти способы эффективно, применяют лkя разрушения монолитных объектов, выколки блоков, разрушения фундаментов и других строительных конструкций. Электрогидроимпульсный способ характериэуется подводом к жидкости, находящейся в емкости (шпуре ) разряда от генератора импульсов напряжения или генератора импульсов тока, которые инициируют возникновение ударных гидравлических волн. Теомогазодинамические способы обеспечивают одновременное динамическое и термодинамическое воздействия на материал и являются наиболее универсальными. Применение для обработки минеральных материалов скоростного горячего газового потока качественно изменило как механизм разрушения, так и условия ведения процесса. Термогазодинамический метод обработки материалов лежит в основе функциионирования газодинамических дезинтеграторов.

История развития газодинамического способа измельчения

Принцип измельчения материалов энергией газовой струи был заложен теоретическими разработками …. …В Советском Союзе применение струйных мельниц началось во Всесоюзном теплотехническом институте для измельчения каменных углей …ставшей прототипом серии струйных мельниц, которыми в 19.. году было произведено … млн тонн тонкомолотых материалов. К 1975 году были накоплены солидные данные по измельчаемости горных пород: железных руд, известняка, талькомагнезита, мрамора, кварцита. Благодаря усилиям советских ученых Пешкова, Кисельгофа, В.И. Акунова, Б.К. Тельнова, В.И. Горобца, Л.Ж. Горобец и др. были заложены основы советской школы исследования и создания принципиально новой технологии струйного измельчения материалов минерального происхождения. Направленность этих работ отличалась оригинальностью научно-технических решений, которые по техническому уровню опережали зарубежные разработки. Так, в СССР с 19 65 года в качестве рабочего тела струйных мельниц широко используются продукты горения газообразных и жидких топлив в среде сжатого воздуха, а в качестве источника рабочего тела испытаны газотурбинные и турбореактивные двигатели, исчерпавшие свой летный ресурс. В этот же период начались исследования по отработке режимов газодинамического диспергирования материалов органического происхождения. В настоящее время в этом направлении успешно работает научно-исследовательский коллектив под руководством профессора, доктора экономических наук А.В. Руцкого, кандидата технических наук, доцента В.И. Горобца, инженера Б.И. Горобца и др.

Перспективы развития газодинамического диспергирования материалов

Если в начале своего развития струйный метод измельчения использовался только для измельчения …., то в последующем благодаря работам советской научной школы, он стал применяться для получения цементов, … , а также в качестве активатора целого ряда материалов. Вопросы получения тонкомолотых материалов в струях газового энергоносителя подробно рассмотрены в работах (…). Газодинамический способ измельчения позволяет: — организовать производство высококачественного вяжущего; — организовать выпуск технического мела; — … Ежегодно перерабатывается …. … Высокая стоимость, низкая производительность традиционных методов …обработки…- основная причина вытеснения ( природного камня бетоном и ж.-бетоном).. В странах бывшего СССР разрабатывается более .. это наиболее трудоемкое и В год разрабатывается около … . Газодинамический способ диспергирования … Сверхзвуковая газовая струя разрушает … Газодинамический способ измельчения по количеству операций, условиям обработки и видам обрабатываемых материалов, более перспективен в сравнении с другими, традиционными, способами. Специфические свойства высокоскоростной сверхзвуковой и дозвуковой газовой струи (высокая концентрация тепловой и кинетической энергии, возможность изменения химического состава среды в зоне обработки и т .п.), позволяет расширить диапазон практического применения рассматриваемого способа. Изменяя соответствующим образом эти свойства можно получать материалы с заданными качествами: цементный клинкер путем обжига шихты в зоне столкновения скоростных дисперсных потоков, автоклавную обработку строительных материалов, осуществлять обжиг — спекание грунтовых поверхностей и т.п. Но, несмотря на отмеченные технико-экономические преимущества, объем внедрения газодинамического способа диспергирования не соответствует его потенциальным возможностям, поскольку требует значительных усилий специалистов различных профилей: специалистов в области термогазодинамики, технологов, конструкторов и организаторов производства в различных отраслях промышленности, сельского хозяйства, медицины. В серьезной разработке нуждаются вопросы поведения материалов минерального и органического происхождения под воздействием газовой струи, выбора оптимальных параметров струи, разработки конструкции и определения режимов работы газодинамических дезинтеграторов, а также организации производства на их основе.

Физико-химические основы термогазодинамического диспергирования материалов

Термин «термогазодинамическое измельчение» характеризует процесс получения измельченных материалов путем преобразования кинетической и тепловой энергии газовой струи в работу разрушения материала. Воздействие скоростной струи на обрабатываемые материалы характеризуется сложным комплексом термических, ударных, газодинамических, физико- и механо-химических, акустических и др. процессов. Характер обработки материалов минерального и органического происхождения зависит от сложных и взаимосвязанных процессов, протекающих в конструктивных элементах технологической схемы дезинтегрирования – в источниках подготовки рабочего тела, в системах подачи рабочего тела и обрабатываемого материала в зону смешения, в зонах смешения и обработки материала, в зонах разделения материала по крупности и выделения его из потока. Струя, являясь рабочим телом возбуждает в материале процессы, определяющие характер его разрушения. Необходимо выделить три основных взаимосвязанных фактора воздействия струи на обрабатываемый материал: термическое, газодинамическое и физико-химическое. Первый обусловлен уровнем теплосодержания и способностью к интенсивной теплопередаче скоростной и, особенно, сверхзвуковой газовой струи, второй – спецификой образования струи, структурой и характером её взаимодействия с материалом и, наконец, третий – спецификой химических реакций. Первые два фактора способствуют интенсивному возбуждению в минеральной и органической среде процессов, определяющих эффективное направленное разрушение, которое не наблюдается при воздействии дозвуковыми или несформированными газовыми потоками. Резкое увеличение теплопередачи от звуковой и особенно сверхзвуковой струи к материалу изменяет характер процесса разрушения и существенно повышает влияние неоднородности его физико-химических свойств. Макро — и даже микронеоднородности измельчаемого материала обусловливают термические напряжения в значительно большей степени, чем при тепловом воздействии в воздушной среде или низкоскоростным потоком. Явления поверхностной деструкции, наличие трещин, посторонних включений, особенности протекания химических реакций, выделение газа, кристаллизационной воды, образование жидкой фазы в обрабатываемом материале способствуют накоплению в нем разрушающих напряжений. Интенсивное возникновение и накопление температурных напряжений — результат термического воздействия сверхзвуковой высокотемпературной струи. В силу возможной нестационарности процессов, происходящих в устройствах подготовки рабочего тела, в них могут возникать колебания различной частоты. Эти колебания передаются струе и могут инициировать такие же колебания во всей системе. Квазипериодичность пульсаций потока приводят к соответствующим колебаниям температуры и давления в зоне взаимодействия потока с материалом, способствуя тем самым, неравномерной теплопередачи по периметру материала, обусловливая неравномерность нагрева материала. Градиенты давлений и температур способствуют возникновению разрушающих напряжений. УДК 621.926:621.044 В. А. Шуляк , Г. С. Федоров , Д. И. Березюк

`АППАРАТЫ ДЛЯ СУШКИ И МЕХАНОТЕРМИЧЕСКОЙ`

`ОБРАБОТКИ ВЫСОКОВЛАЖНЫХ МАТЕРИАЛОВ`

Решение многих технологических задач, связанных с получением высококодисперсных порошовых материалов, лимитируется сложностью непосредственной переработки исходного сырья с высокой влажностью в механических мельницах и дробилках. В то же время такие материалы крайне плохо поддаются сушке, поскольку имеют неразвитую поверхность межфазного контакта, образуют крупные агломераты, окатыши и налипают на стенки сушильных аппаратов. В этом плане очень плодотворной оказалась идея совмещения процессов сушки и механической обработки в одном рабочем объеме. В основу большинства аппаратов для этих целей применен механотермический способ обработки дисперсных материалов, характеризующийся комплексным воздействием на обрабатываемый материал термических и тепловых полей, формирующихся на фоне процессов сушки, измельчения, нагрева и охлаждения материалов. Рассматриваются проблемы сушки и измельчения как хрупких дисперсных, так и пластичных вязкоупругих материалов в аппаратах с механическими ударными элементами и в аппаратах со встречно-соударяющимися труями газовзвеси. Характеризуются основные отличительные особенности различных аппаратов для механотермической обработки высоковлажных дисперсных материалов. Обосновывается эффективность применения для этих целей аппаратов со встречно-соударяющимися потоками (ВСП) газовзвеси. chaussures timberland soldes Приводится описание конструкции сушилок ВСП, опыт их промышленной эксплуатации и дается сравнительная характеристика аппаратов ВСП с различными аппаратами взвешенного слоя по показателю влагоэнергетическoй эффективности E = ((W/Vап) (1/(Q+N)), где W/Vап - влагонапряженность рабочего объема, выраженная через отношение производительности по испаренной влаге W к рабочему объему аппарата Vап; Q - затраты тепла на сушку; N -мощность,потребляемая на транспорт теплоносителя, включая рециркуляцию части отработанного сушильного агента и механическое взвешивание влажного материала. Разработанный показатель влагоэнергетической эффективности позволил обобщить накопившийся опыт промышленной эксплуатации и новых проектных решений сушилок взвешенного слоя в различных отраслях промышленности и провести глубокий сравнительный анализ их применения. Анализ графиков зависимости показателя влагоэнергетической эффективности от производительности сушилки по испаренной влаге показывает, что функция E = f ( W ) может быть аппроксимирована простой зависимостью E = A W-1, где A - константа, зависящая от типа сушилки, ее типоразмера и температурного режима сушки. В статье приведены значения коэффициента A для различных аппаратов взвешенного слоя: ВСП, вихревые сушилки ВНИВИ, вихревые сушилки и трубы-сушилки ИИХИММАШ, трубы-сушилки НПО "Крахмалопродуктов", аэрофонтанные сушилки, сушилки кипящего слоя ВНИВИ, НИИХИММАШ, комбинированные и барабанные сушилки НИИХИММАШ и ПКБ ММП. Анализ полученных данных показывает: 1) применение аппаратов ВСП позволяет в десятки раз поднять производительность сушильной установки при высокой эффективности использования энергии; 2) основным направлением создания аппаратов с закрученными потоками большой единичной мощности, способных конкурировать по производительности с барабанными сушилками, является модульный принцип компоновки установки из параллельно работающих единичных секций малого диаметра. Высокая интенсивность работы аппаратов ВСП обусловлена большой относительной скоростью движения потоков, непрерывным ударным скалыванием высохшего слоя, постоянным увеличением поверхности обрабатываемого материала и его полным контактом с энергоносителем. Это позволяет эффективно использовать низкотемпературные энергоносители для сушки и измельчения термолабильных продуктов. Предлагаемые установки ВСП наиболее предпочтительны для использования в химической и пищевой промышленности для обработки материалов капиллярной и коллоидной капиллярно-пористой структуры, таких как соль, сахар, крахмал, молочный сахар, полистирол, резотропин, перборат натрия и другие. Статья депонирована в ВИНИТИ 17.03.97, рег. N 818-В97.

Структура процесса газодинамического диспергирования материалов

Газодинамический дезинтегратор является тепловой машиной с определенным термодинамическим циклом. Для реализации указанного термодинамического цикла технологическая схема газодинамического диспергирования включает в себя: — систему подготовки рабочего тела, состоящую из источника сжатого воздуха и устройства подвода тепла; — (ускоряющую) систему (газодинамического) ускорения рабочего тела; — смесительные устройства с системой регулируемой подачи измельчаемого материала; — классификатора; — пылеосадительных устройств с бункерами-разгрузителями; спосос — пневмотранспортной системы. Эффективность газодинамического дезинтегратора определяется особенностью и взаимосвязью процессов, протекающих в каждом его структурном элементе и, в целом, может характеризоваться приведенной интенсивностью процесса измельчения Gп, определяемой количеством полученного измельченного продукта при затрате 1 кВт ч энергии в минуту (?). Чем выше Gп, тем лучше организован процесс измельчения: Gп = m / G∑» G∑»- израсходованная энергия; m–масса полученного материала. Для оценки работоспособности ГДД, по аналогии с принципом оценки эффективности работы любой газодинамической системы могут быть использованы такие показатели, как … Тяга реактивного двигателя определяется уравнением: R* = Rдин*+ Rст* = mwс + Fc(Pc – Pн), где m – секундный расход газа, кг/с; wс — скорость газового потока на срезе сопла; Fc — площадь выходного сечения сопла; Pc, Pн – давление рабочего тела, Rдин* = mwс соответственно на срезе сопла и окружающей среды; Rст* = Fc (Pc – Pн) – статическая составляющая тяги; Rдин* = mwс – динамическая составляющая тяги. Динамическая составляющая тяги Rдин*(импульс потока), зависящая от скорости истечения газа, является основной характеристикой помольного узла ГДД. Скорость истечения, в свою очередь, определяется параметрами газа перед истечением (температурой, давлением, составом газа – молекулярной (?) составляющей), а также зависит от типа ускорителя, конструкции сопла, смесительной и помольной камеры. Для получения требуемого положительного эффекта при заданных физико-химических свойствах измельчаемого материала, необходимо менять характер термического и газодинамического воздействия, обеспечиваемое, например, путем изменения конструктивного оформления и режимов работы определенного элемента ГДД. При этом в каждом отдельном случае будет наблюдаться преобладание определенных видов нестационарных процессов в обрабатываемом материале, обеспечивающих требуемые качества получаемого продукта. В качестве сравнительных показателей работы различных конструкций газодинамических дезинтеграторов могут быть использованы значения: удельного импульса, удельных затрат энергии и рабочего тела на измельчение, удельного веса, используемого оборудования, термического кпд … Удельный импульс определяется из отношения Rуд* = Rдин*/Qг = wс / g , где Qг – секундный расход газа, кг/с; g= 9,81 м/с2 – гравитационная постоянная. Удельный вес используемого оборудования gу: gу = Му / Rдин*, где Му – масса оборудования технологической схемы газодинамического диспергирования. ….

Особенности процессов в элементах ГДД

В начале термодинамического цикла лежат процессы сжатия рабочего тела и его нагрев. Последующее преобразование внутренней энергии газа в работу совершения внутримельничных процессов осуществляется в соответствующих функциональных элементах – в соплах, смесительных камерах инжекторов, в помольной камере , классификаторе… (? ??) В зависимости от способа подготовки и степени нагрева рабочего тела, процесс ускорения рабочего тела может осуществляться газодинамическим, элекродинамическим …. способами . При газодинамическом способе ускорения работа расширения газа в сопле от величины давления перед истечением (в камере) — Рк до давления Рс — в сопле, аккумулируется как кинетическая энергия. В случае Рс /Ра > Ркр, (где Ра – атмосферное давление) давление на срезе сопла Рс зависит от величины отношения выходного сечения сопла fа к его критическому сечению fкр и давления перед истечением Рк. При fа / fкр = 1 Рс = Ркр = Рk (2 1+к) к / (к-1), ????? где Ркр – критическое давление; к – показатель адиабаты. Для случая идеального цикла (Рк = const) рабочее тело – газ подчиняется законам идеального газа. Уравнение первого закона термодинамики запишется: Uс — Uк + L + (wс2 – w2к) / 2 g , (2.9.) где Uс = сvТс + Uвс ; Uк = сvТк + Uвс; Uвс – внутренняя энергия газа в объеме соплового канала; сv — теплоемкость газа при постоянном объеме; wк – скорость газа перед истечением (wк =0); Тк, Тс – температура перед истечением и на срезе сопла; L = РсVc – Pk Vc = RTc – RTk — работа газа; R – газовая постоянная; Vc, Vк – объем газа соответственно в сопле и в камере. Формула (2.9.) преобразуется: сvТс — сvТк + RTc — RTk + wс2 /2 g =0. Полезная работа: Lад = w2а / 2 g = Ik — Ic = cp (Тк — Tc) = cp Тк (1 — Тс / Тк), Где Ik, Ic – энтальпия газа соответственно перед истечением и в сопле (? В его критическом сечении). Учитывая, что Ik = cp Тк = [k / (k-1)] RTk, а Тс / Тк = = (Pc / Pk)(k – 1) / K, получим формулу удельной работы цикла: Lад = [k / (k-1)] RTk [1 – (Pc / Pk)(k – 1) / K] = [k / (k-1)] RTk [1- 1/(dca)] (k – 1) / K, где а = k / (k-1). Термический КПД ht =(Ik — Ic) / Ik = 1– (Tk / Тк) = 1-(Pc / Pk) = 1- 1/(dca), т.е. эффективность термодинамического цикла зависит от степени расширения газа в сопловом канале dc и численного значения показателя адиабаты, зависящего от химических свойств газа. Следовательно, основные показатели работы термогазогенератора (?) зависят от скорости истечения газа из сопла и массы истекающего газа, а показатели работы струйного аппарата – от Tk, Tс, R, зависящих от химического состава газа, а также от Рк и Pс, зависящих в свою очередь от параметров системы подачи компонентов в систему подготовки рабочего тела и геометрии сопла.

Глава 4 Харакеристика рабочего тела ГДД

Структура газовой струи.

Скоростная газовая струя, как рабочее тело газодинамического дезинтегратора, формируется газодинмическим устройством – соплом, геометрия которого определяет строение тела струи, выходящей из сопла и её скорость. Сопло рассчитывается таким образом, чтобы обеспечивалась максимальная скорость истечения газа в рабочих условиях. Поскольку газовая струя в газодинамичеком дезинтенграторе является рабочим телом и определяет характер процессов её взаимодействия с измельчаемым материалом, её воздействие на материал должно являться основным объектом изучения и рассматриваться с точки зрения выявления и использования свойств, способствующих повышению эффективности обработки материала. Изучение свойств сверхзвуковой струи, вначале развития гаодинамики (конец XIX и начало XX веков), носило познавательный характер, а первые попытки практического её применения для измельчения материалов минерального происхождения не имели глубокого теоретического обоснования. В работах Кисельгофа , В.И.Акунова …рассмотрено движение отдельных частиц, … однако авторы указанных работ не уделяют должного внимания особенностям строения сверхзвуковой струи и влияния на эффективность разрушения материала. Картина течения в сверхзвуковой струе, вытекающей из осесимметричного сопла зависит от целого ряда факторов: — от степени нерасчетности струи, определяемой величиной отношения давления на срезе сопла Pc и на границе струи с окружающей средой Pн (n = Pc / Pн); — угла раствора сопла ψ; — значения параметров струи (Тс, Мс, Рс) на срезе сопла; — состояния наружной среды, в которую истекает струя (фазовое состояние среды, её давление, скорость перемещения). Режим работы ГДД может характеризоваться одним из трех видов истечения струи: — истечение в расчетном режиме n = 1 (Рс = Рн); — истечение с недорасширением n > 1 (Рс > Р н); — истечение с перерасширением n < 1 (Рс < Р н). Структура струи в соплах с постоянной геометрией может изменяться (изменяется) изменением давления газа перед истечением или изменением наружного давления. Независимо от условий истечения сверхзвуковая струя (рис. 1) разбивается на три основных участка [Гинзбург А.П. Аэрогазодинамика. – М.: Высшая школа. 1968]; I – начальный газодинамический участок, где влияние вязкости и теплопроводности сказывается лишь в тонком пограничном слое. Структура потока определяется исходя из рассмотрения задач газовой динамики в идеальной жидкости. Картина существенно зависит от степени нерасчетности n и угла раствора сопла; II – переходный участок, на котором оказывает влияние турбулентность, разделяется на первый переходный участок (а), в котором сохраняется ядро постоянных скоростей (осевая скорость постоянна), и второй переходный участок (б), в котором ядра постоянных скоростей нет, а максимальная скорость лежит не на оси струи; III – основной участок, для которого справедливы соотношения свободных турбулентных струй. Возможные картины течения струи на начальных участках показаны на рис. 2 [c. 71 Боженов Е.П. Термогазодинамическая обработка строительных материалов. –М.: Стройиздат. 1985.] При выходе струи из сопла на его кромках образуются волны разрежения, достигающие линии ударного фронта, образующегося на противоположном срезе сопла, а не границы струи, как принято в [Ягупов А.В. Тепловое разрушение горных породи огневое бурение. – М.: Недра, 1972.]. Из-за возникновения волн разрежения и расширения потока давление в нем уменьшается. Картина течения при значении нерасчетности, равной или близкой к единице, характеризуется х-образным ударным фронтом (рис. 23, а) При n > 2 возникает Маховская конфигурация (рис. 23 б). У среза сопла имеется конусообразная зона VI, ограниченная волнами разрежения, сходящими с кромки сопла. Её параметры близки к параметрам на срезе сопла. У среза сопла возникает течение разрежения в виде центрированной волны. Эта зона IV ограничена первой волной разрежения и ударной волной. Давление на границе струи, выходящей из сопла равно Рн. Ударная волна заканчивается в точке С Маховского диска, пересекающего ось струи под прямым углом. С краев диска по течению сходит новая ударная волна, которая достигнув границы струи, вызывает появление центрированной волны разрежения, определяющей вторичное разрежение струи. Одновременно с контура диска Маха сходит стационарный разрыв, отделяющий газ, прошедший через диск Маха, от газа, прошедшего через две ударные волны. В зоне V наблюдается течение разрежения вследствие отражения волн разрежения от оси струи. Течение в зоне I носит сложный характер, траектория частиц (газа) имеет значительную кривизну, В зоне III за диском Маха течение дозвуковое. Векторы скорости в зонах II и III мало отличаются от осевого направления. Давление в них равно Рн. У выхода из сопла вблизи точки А наблюдается течение разрежения типа Прандтля-Майера. Поток расширяется и давление уменьшается от Рс до Рн . Граница струи – это линия скольжения, при переход через которую параметры значения плотности и скорости скачкообразно. Параметры на границе определяются известными уравнениями [Гинзбург Аэрогазодинамика. – М.: Высшая школа. 1968] . Зная параметры на срезе сопла (Рс, wс, rс, Тс), определив параметры на границе струи (Рн, wн, rн,), в силу изоэнтропности потока находят параметры заторможенного потока (Рт, rт, Тт)) из условия постоянства теплосодержания и изоэнтропности. Ри2 Рис 22 Структура сверхзвуковой струи Rm – граница максимальных продольных скоростей; R0 – граница зоны постоянных скоростей; W — векторы скоростей. Рис. 23. Строение начального участка струи при различных показателях степени нерасчетности сопла п = Р С/РН а) n ≈ 1; б) n>2; в) n<1; г) n «1; pс — давленне в струе на срезе сопла; Рн –давление наружной среды В силу изоэнтропичности потока можно написать условия постоянства теплосодержания [к/(к-1)] (P0 / r0) = ?w2с / 2 +[ к/(к-1)] (Pс / rс) и условие изоэнтропности Рн / rнк = Рс / rск = Рс /r0к, Где Рн, wн, rн — давление, скорость, плотность на границе струи; Рс, wс, rс – соответственно на срезе сопла в точке А; Р0, r0 – параметры заторможенного потока. Параметры потока на границе струи определяются из уравнений: Ас/Рн = [1 – (к-1)/2 M2н]к/к-1; rн /rс = {[1 +(к-1/2) M2с] / [1+ (к-1)/2 M2н] к/к-1]} ?eТн /Тс = e(1 +(к-1/2) M2с / (1 +(к-1/2) M2с). vНачальный угол наклона струи vн находят по формуле Прандтля – Майера для случая обтекания выпуклого угла плоским потоком vн = ψ+w(Мн) — w(Мс), w(М) = e[( к + 1) /( k-1)] аrctge [(k-1)/(k+1)](M2-1)- аrctge(М2-1) Значение М по оси струи определяют по формуле h=F(М)-F(М1), (4.6) F(М) =(3-k)/(k – 1)e(М2 -1) – (2-k)/(k-1)e(к+1)/к-1) аrctgx x e [(k-1)(k+1) e(М2 -1). М2=1+(k+1)/(k-1)tg2{e(к-1)/(к+1)[p/2 +w(Mc)-uc]}. По данным Ванга и Патерсона, при недорасширенин скорость газа растет по оси струи до определенных пределов, Так, для к=1,15, МС =3, 1/h = 2,83 в струе есть начальное ядро с M=3, затем на расстоянии от среза сопла h = 2,5гс , где гс — радиус среза сопла, скорость увеличивается до М = 4h, h= 4,8rс; М=4,75 при h= 7,7гс . Расстояние от среза сопла до диска Маха при n>2 вычисляют по формуле: h c =0,8{3,1Мc1,5 [(hMc2 – 1)½- (M2 – 1)½]-2e (Mc2 –1)(n /2)t где t=0,451—0,016 Мс Длина первой бочки равна 1,25hc [85 – патент США, №2781754, 1957]. Свободная турбулентная струя рассчитывается по методике Г. Н. Абрамовича. Картина течения при незначительном перерасширении n<1 (рис, 23, в) характеризуется восстановлением давления в струе ударным конусообразным фронтом, сходящим с кромок сопла. При п « 1(большом нерерасширении) (рис. 23, г) образуется Маховский диск, с контура которого сходят стационарный разрыв и расходящаяся конусообразная волна, и начинается течение с недорасширением. Таким образом, строение струи зависит от условий истечения. Газодинамическая структура сверхзвуковой струи представляется достаточно сложной. Струя имеет ряд зон с дозвуковыми и сверхзвуковыми течениями. Несомненно, что неоднородность струи сказывается на характере обработки — разрушения материала. Так, гранит в зависимости от зоны струи, в которую он попадает, может плавиться, разрушаться мелким шелушением, сбоем, крупным сбоем или не разрушаться. При большой нерасчетности сопла (п= 1,5 … 10) в зоне диска Маха наблюдается область нестационарных газодинамическнх возмущений, начало которых от среза сопла характеризуется величиной hн = Ма eкh*dc (0,88—0,12 Мс). (4.101 где dc — диаметр среза сопла; к, h — показатели изоэнтропы и нерасчетности струи. Заканчивается область нестационарных газодинамических возмущений на расстоянии hк от среза сопла: hк = eМа kh dc (2,05 -0,003). Нестационарность, периодичность воздействия увеличивают эффект разрушения. Структура струн характеризуется условиями ее истечении из сопла: п, Мс ψ; п и ψ зависят в основном от конструктивных патраметров, а Мс — от вида используемого энергоносителя и геометрии сопла.

4.2. ХАРАКТЕР ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СВЕРХЗВУКОВОЙ ГАЗОВОЙ СТРУИ С ЧАСТИЦАМИ

При взаимодействии струи с инжектируемыми частицами, картина течения становится зависимой от нерасчетности струи и особенностей строения той зоны струи, в которую они попадают. Распределение давления и температуры в пятне воздействия может характеризоваться одногорбой и двугорбой кривой. В первом случае максимум лежит в центре пятна, во втором случае есть два максимума. Приложение нагрузок неравномерно по зоне пятна взаимодействия. В случае возникает тройная конфигурация ударных Выше линии тройной конфигурации скорость набегающего потока сверхзвуковая, ниже дозвуковая. По данным И. П, Гинзбурга, поток между ударной волной и имеет концентрические зоны квазипериодических пульсаций. Несомненно, что это усиливает неравномерность теплопередачи от струи к преграде и может способствовать процессам догорзния частиц топлива в призабойной зоне. В [32, 92] показано, что наличие на поверхности преграды постоянно меняющих свою конфигурацию выбоин, бугров, шероховатостей, микротрещин является следствием возникновения местных волн, аналогичных волнам, возникающим при обтекании, тупого угла и т, д. Давление и температура в линиях разрыва меняется скачкообразно. Действительно, в каждой фиксированной точке поверхности по мере разрушения возникают местные, постоянно меняющие конфигурацию преграды различной формы, на которых из-за изменения их обтекания давление изменяется от полного под скачком уплотнения до статического и менее при случая обтекания выпуклого угла. Из-за постоянно изменяющихся во времени местных форм разрушаемой поверхности картина течения газового потока в зоне взаимодействия постоянно меняется, вследствие чего постоянно изменяется характер воздействия струи на преграду. Наличие нестационарного высокоамплитудного воздействия параметров струи на преграду увеличивает эффект разрушения. Рассмотрим картину взаимодействия струи с различной нерасчетностью при разных расстояниях между срезом сопла и преградой, полученным А. П. Гинзбургом. На рис.24 показан характер взаимодействия струи с преградой в зоне пересечения ударных волн (см. сечение К—К на рис. 23, а) при нерасчетности сопла n≈1 и при нахождении преграды в сечении l- l перед диском Маха при нерасчотности п>2 Рис. 25 иллюстрирует характер возможного взаимодействия струи с преградой, помещенной в зону точки С с небольшим смещением (см. рис. 23, а) при нерасчетности n≈1. На рис. 26 изображено взаимодействие струи с преградой в сечении Маха при нерасчетности n>2 (см. сечение С—С на рис. 23, б), а на рис. 27 — за диском Маха (см. сечение ///—/// па рис. 23, б). Следовательно, условия обработки контролируются нерасчетностью струи и расстоянием среза струи до преграды. При этом изменяются как скоростные характеристики струи, так и давление струи на преграду. На рис. 28, по данным В. А. Зазимко -— В. Н. Ускова, даны кривые давления сгруи на преграду Р ст в зоне воздействия при нерасчетности сопла n=5,1 и Mа=2. Можно записать, что для кривых 2 и 3 h = hK —(hK —hh )/m, где m≈0 для кривой 2 и m=1 для кривой 3, безразмерная величина m определяется видом обрабатываемой среды и характером обработки; h — расстояние от среза сопла до преграды, hн— до начала зоны возмущения, hк — до конца возмущения. На рис. 29 представлены частота и амплитуда колебаний давления на преграде при взаимодействии с сверхзвуковой струей, по данным А. П. Гинзбурга. Сравнивая схемы взаимодействия, можно заметить, что при расположении преграды на расстоянии от среза сопла h = hk – (hk — hn )/m в зоне диска Маха (см. рис. 23, сечение С—С) между центральным скачком уплотнения 4 (Т—N—Т) (см. рис. 24) и преградой 18 (см. рис. 27) возникают дополнительные отсекающий скачок уплотнения 13 (L— L) и зона повышенного нестационарного воздействия. Их возникновение обусловливает нестационарное газодинамическое воздействие на разрушаемую преграду. В случае h<hн давление максимально в центре преграды — в точке пересечения плоскости преграды с осью струи. При h = hk — D h, где D h = (hK —hн)/т, по оси струи возникает круговая зона давления. При этом точки максимального осредненного давления смещены от точки пересечения оси струи и преграды на расстояние примерно равное радиусу границы струи перед преградой. Таким образом, при h = hк максимальное осредненное давление воздействует на преграду только в незначительной зоне около точки пересечения оси струи и плоскости преграды. Рис. 24. Характер строений струи при взаимодействии ее с преградой в сечении К—К (см. рис. 23, о) и I—I (см. рис. 23, б) I — сопло; 2 — граница струи; 3 — «висячий» скачок уплотнения; 4 — отсоединенный скачок уплотнения перед преградой (Г—N—1); 5 — отраженный скачок уплотнения перед преградой; 6 — область непрерывного сверхзвукового течения невозмущенной струи; 7 — граничная область течения сверхзвуковой струи; 8 — область сверхзвукового течения за отраженным скачком уплотнения; 9 — область дозвукового течения за отсоединенным скачком уплотнения; 10 — контактная поверхность между областями 8 и 9; И — граница растекающегося потока (граница струн); 12 — обрабатываемая поверхность Рис. 25. Характер строения струи при взаимодействии с преградой в зоне точки пересечения граничных ударных волн (точка С см. рис. 23, а) 1 — сопло; 2 — граница струи; 3 — «висячий» скачок уплотнения; 4 — огражденный скачок уплотнения; 5 — область сверхукового течения; 6 — область неиэзотермическоготечения сверхзвуковой струи; 7 — отсоединенный скачок уплотнения перед преградой (F -F); 8 — результирующий скачок уплотнения (F- Д); 9 — область сверхзвукового течения за отраженным скачком (F -F); 10 — область сверхзвукового течения под результирующим скачком (F- Д); 11 — область дозвукового течения; 12 — контактная поверхность между областями 10 и 11; 13 — преграда; 14 -граница растекания струи В случае реализации условия h= hk —Îh при h=1,5…10 возникает сложная картина газопотоков перед преградой, что и обусловливает изменение характера газодинамического давления струи на преграду. Эта зона давления имеет вид не пятна, а концентрического контура вокруг точки пересечения оси с поверхностью преграды. Как показали исследования И. П. Гинзбурга, существенно различны амплитудно-частотные характеристики режимов взаимодействия струи и преграды. При h= hК — (hк —hн )/т колебания давления в струе в момент контакта с преградой имеют характер белого шума, т. е. высокочастотных колебаний низкой амплитуды без явно выраженной дискретной составляющей. Однако при реализации условия h= hК — (hк —hн )/m и n= 1,5 …10в струе перед преградой возникает неустойчивый режим колебаний давления со значительной амплитудой. Рис. 26. Характер строения струи при взаимодействии с преградой а диске Маха (сечение С—С см. рис. 23, б) 1 — сопло; 2 — граница струи; 3 — «висячий* скачок уплотнения, 4— отсоединенный скачок уплотнения перед преградой; 5 — отраженный скачок (Т— К}; 6 — область непрерывного сверзвукового течения невозмущенной струи; 7 — область неизоэнтропного течения струи; 8 — область сверхзвукового течения за отраженным скачком уплотнения 1ТК); 9 — область дозвукового течения за отсоединенным скачком уплотнении; 10 — неконтактная поверхность (ТН) между сверх звуковой областью 8 и дозвуковой областью 9; II — граница растекания струи (граница веерной струи) ; 12 — обрабатываемая преграда Рис. 27. Характер строения струи при взаимодействии с преградой в сечении Ill-Ill 1 — сопло; 2 — граница струи; 3 — «висячий» скачок уплотнении; 4 — центральный скачок уплотнения (T—N—Т}. 5 — отраженный скачок уплотнении Т К; 6 ~ область непрерывного сверхзвукового течения невозмущенной струи; 7 — область неизоэптропного течения невозмущенной струн; 8 — область сверхзвукового течения за отраженным скачком уплотнения ТК 9 —область внутреннего доэвукового течения за центральным скачком уплотнения; 10 — звуковая линияН—Н, где число М=1; 11— контактная поверхность между сверхзвуковой областью 8 и дозвуковой областью 9; 12 — граница второй бочки струи; 13 — отсоединенный скачок уплотнения L-L перед преградой; 14 -~ отраженный скачок уплотнения; 15 — граница растекающейся струн; 16 — сверхзвуковая зона струи за отраженным скачком уплотнений: 17 — дозвуковая зона струи за отсоединенным скачком уплотнения, 18 — преграда Так, при истечении струи из сопла диаметром выходного се чения da=20 мм, числе Маха Ма=2, нерасчетности сопла n= 7,55, угле раствора сопла a=10°, h<hн частота давления перед преградой характеризуется f = 2,7 кГц, а при нахождении преграды в зоне, определяемой h = hk — (hk – h н)/m, частота давления характеризуется f= 20 кГц, Таким образом, воздействие струи на преграду возрастает почти в 10 раз. Наибольшее значение амплитуды колебаний давления на этом режиме достигается в окрестности периферийного максимума давления, о чем свидетельствуют данные изменения частоты и амплитуды колебаний давления по плоской преграде при Mа = 2; n= 3: h/r0 Рис. 28 Давление струи на преграду при n = 5,1; Ма = 2. Кривая 1 характеризует распределение давления в зоне взаимодействия струи и преграды при устойчивом (стационарном) режиме; кривая 2 — распределение давления в зоне взаимодействия струн и преграды при h-hv, т. е. в конце зоны возмущения; кривая 3 — распределение давления в зоне взаимодействия струи и преграды при h = hk — (hk—hy) Кривые 2 и 3 характеризуют граничные условия иахождения преграды в области возмущения, h — расстояние от среза сопла до преграды; r а — радиус среза сопла Рис. 29. Частота (а) и амплитуда (б) колебаний давления в центре преграды при взаимодействии с сверхзвуковой струей Ma=2 a = 5″ ; dа =20 мм, О —n=2.45; =—n = 5,1; Ø — n = 7,55 h / ra 0 1 2 3 f, кГц ….. 1,9 2 2 2 ÎР 3,5 6 5,5 3 где h — текущее расстояние от центра вдоль преграды; г, — радиус выходного сечения сопла; — разность максимального и среднего давлений в измеряемой точке. В результате экспериментального исследования режимов неустойчивого взаимодействия струи с преградой получены полуэмпирические формулы для определения частоты колебаний давления на преграде: f= a0 / (6g0 – А) da где g0=g0 / da — отход по оси центрального скачка уплотнения в струе перед преградой, определяемый как разность g0 = h— хс , xc = Ma ekn da[0,75-0,83 exp ( -1,73 h /(Maeknda)] (4.13) a0 = ekPT0 — скорость звука, Та — температура адиабатически заторможенной струи; A=A/d0 — амплитуда колебаний центрального скачка уплотнения, рассчитываемая по формуле А=1,6d0Ma(ekn)*exp(-1.73h/(d0M0ekn){1-exp[1.73(h— hн)/d0*M0eкh )]}. Перечисленные особенности высокоамплитудного нестациоиарного взаимодействия струи на преграду и зависимости, определяющие параметры этого режима, позволяют выбрать оптимальные и эффективные режимы воздействия на преграду путем использования нерасчетности струи в пределах (1 — l,5) < n < (1,5— 10), обрабатываемую среду необходимо помещать в зоне на расстоянии от среза сопла в соответствии с условием h= hК — (hк —hн )/т. Величины еду при этом необходи- в соот- ловием: h = hk — (hk – h н)/m. Величины d0, к, n, т и Ма определяют в каждом отдельном случае в зависимости от вида обработки и обрабатываемой среды. Итак, характер воздействия струи на преграду зависит от: — тепловой энергии струи Нстр = f (Hн, GS), где Hн и GS — удель- ная теплота сгорания и суммарный расход топлива; — ударного импульса струи Рим =wс GS . где w с — скорость истечения газовой струи со среза сопла; структуры струн, зависимой от п, ψ и МС ; расстояния между срезом сопла и преградой x=h rс ; температуры торможения Тт и давлении в зоне воздействия Р(Ар*); амплитуды и частоты изменения f, давления и температуры в зоне обработки _ Gн III = f (n, MС, ψ, Р]|М, Гт , Рт,, х, Н стр, , Дтр Атр , f). (4.15)

4.3. КАЧЕСТВЕННАЯ СТРУКТУРА ПРОЦЕССА ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ В ПРОТИВОТОЧНЫХ ГДД

Положительной особенностью термогазодинамического, способа измельчения является то, что разрушенные частицы непрерывно выносятся из зоны разрушения и эвакуируются из зоны помола, т. е. одновременно с измельчением совершается важная часть работы в технологическом цикле — классификация. Именно невозможность осуществления эффективной эвакуации измельченных до заданной крупности частиц из зоны обработки (измельчения) — одна из главных причин низкой эффективности термогазодинамического метода. Возможность эвакуации измельченных частиц из зоны измельчения отработанным газовым потоком принципиально меняет технологию. Отпадает необходимость в применении специальных механических и гидравлических систем для выноса разрушенных частиц в зону дальнейшей обработки, как это делается при традиционных способах измельчения (шаровое мокрое измельчение, например). В случае противоточных процесс разрушения и эвакуации разрушенных частиц совмещен по времени и осуществляется единым рабочим органом — газовым потоком, При проходке скважины или шпура тем или иным термогазодинамическим способом различают три последовательные технологические операции: забуривание, бурение, уширение скважины или получение котла. Наибольший интерес представляют две последние операции. Условия разрушения минеральной среды создаются с момента возникновения контакта между ее поверхностью и телом (сверхзвуковой горячей) струи. Разрушение же начинается На забое возникает, как правило, стройная конфигурация ударных воли. Газовый поток отходит от лба забоя вместе с элементами разрушаемой минеральной среды (твердыми или расплавленными) и двигается в кольцевом зазоре скважины к ее устью. Кольцевой зазор образуется внутренней стенкой скважины и наружной стенкой термогазогенератора и его штанги. Расход топлива, а следовательно, и расход газо должны обеспечить как разрушение, так и вынос частиц разрушаемой породы. Скорость отходящего в кольцевой зазор газового потока должна быть достаточной для поддержания во взвешенном состоянии частиц породы и придания им определенной скорости эвакуации. Для этого необходимо выдержать условия неразрывности Gm =vFv р (где FK — площадь кольцевого зазора, v нр — скорость и средняя плотность двухфазного потока). В кольцевом зазоре в рассматриваемом случае наблюдается двухфазный поток (газ + частшы породы). При термогазодинамическом и термогазомеханическом способах бурения особенности характера разрушения различны, однако картины эвакуации частиц из скважины во всех случаях одни и те же. Газопотоки при бурении скважины. Эксперименты на плоской модели с холодной струей показали, что в зоне меж-

4.3. ОСОБЕННОСТИ БУРЕНИЯ СКВАЖИН

Положительной особенностью термогазодинамического, термомеханического и термогазомеханического способов является то, что разрушенные частицы относятся от зоны поверхностного разрушения и эвакуируются из скважины, т. е. одновременно с бурением совершается важная часть работы в технологическом цикле. Именно невозможность осуществления эффективной эвакуации расплава или разрушенных частиц из зоны обработки — одна из главных причин низкой эффективности огневого и термоэлектрического методов. Возможность эвакуации продуктов разрушения породы из скважины отработанным газовым потоком принципиально меняет технологию буровых работ. Отпадает необходимость в применении специальных растворов и соответствующих механических и гидравлических систем для выноса разрушенных частиц породы на поверхность, как это делается при традиционных способах бурения. В нашем случае процесс разрушения и эвакуации разрушенных частиц совмещен по времени и осуществляется единым рабочим органом — газовым потоком, При проходке скважины или шпура тем или иным термогазодинамическим способом различают три последовательные технологические операции: забуривание, бурение, уширение скважины или получение котла. Наибольший интерес представляют две последние операции. Разрушение минеральной среды начинается с момента возникновения контакта между ее поверхностью и телом сверхзвуковой горячей струи. На поверхности контакта возникает, как правило, стройная конфигурация ударных воли. Газовый поток отходит от поверхности частицы вместе с элементами разрушаемой минеральной среды (твердыми или расплавленными) и двигается в (? ? кольцевом зазоре скважины к ее устью). Кольцевой зазор образуется внутренней стенкой скважины и наружной стенкой термогазогенератора и его штанги. Расход рабочего тела (газа) должны обеспечить как бурение, так и вынос частиц разрушаемой породы. Скорость отходящего в кольцевой зазор газового потока должна быть достаточной для поддержания во взвешенном состоянии частиц породы и придания им определенной скорости эвакуации. Для этого необходимо выдержать условия неразрывности Gm =vFv р (где FK — площадь кольцевого зазора, v нр — скорость и средняя плотность двухфазного потока). В кольцевом зазоре в рассматриваемом случае наблюдается двухфазный поток (газ + частшы породы). При термогазодинамическом и термогазомеханическом способах бурения особенности характера разрушения различны, однако картины эвакуации частиц из скважины во всех случаях одни и те же.

Газопотоки в помольной камере.

Эксперименты на плоской модели с холодной струей показали, что в зоне между срезом сопла, телом сверхзвуковой газовой струи и отходящим газовым потоком образуется характерная циркуляционная зона или застойная газовая зона. В случае плоской модели наблюдается наличие двух осесимметричных возвратно-циркуляционных зон. В реальном случае эти зоны объединяются в кольцевую — «торовую» поверхность. Величина этих зон и масса газа в них стабильны и зависят от расхода газа, подаваемого в зону измельчениия, диаметров разгонных трубок и величины зазора между срезами разгонных трубок и диаметра трубчатой помольной камеры. Средняя скорость вращения этих вихрей, видимо, дозвуковая, определяется скоростью рабочей струи и отходящих из помольной камеры потоков. Возвратно-циркуляционные вихри могут не участвовать непосредственно в процессе разрушения частиц материала .отгорожены отсоединенным скачком уплотнения, а от стенок — отходящими газовыми потоками, однако и в этом случае они играют существенную роль в организации технологического процесса: 1) циркуляционные зоны поглощают холодные слои газа, движение которых может при определенных условиях возникнуть в направлении от устья скважины к ее сопловому срезу по наружной стенке разгонной трубки и его кожуха; 2) застойная зона, обладающая повышенными температурными полями за счет длительной аккумуляции теплоты от сверхзвуковой струи и боковых газовых потоков, создает изолированную высокотемпературную газовую область у дна забоя, что способствует процессу направленной обработки; 3) занимая определенный объем в заторцевом пространстве, циркуляционные зоны оттесняют газовые потоки, отходящие от зоны встречи (забоя) к стенкам скважины. Уменьшение толщины этих потоков увеличивает их скорость, в результате чего улучшаются условия дополнительного разрушения стенок скважины и эвакуации разрушенных частиц или расплава из скважины. Можно так организовать процесс образования возвратно-циркуляционных вихрей, что они будут участвовать в процессе разрушения. Частицы породы, захваченные ими, должны направляться сверхзвуковой газовой струей в зону встречи, т.е. реализуется процесс, близкий к термогазом еханичсскому. При разрушении горных пород газовый поток с находящимися в нем частицами проходит между стенкой скважины и зоной застойной циркуляции. Часть твердых частиц захватывается циркуляционными вихрями (рис, 30, а). При увеличении массы этих частиц выше допустимой они выпадают на расходящуюся поверхность основной газовой струи. Твердые фракции, получив дополнительную кинетическую энергию, выбрасываются из скважины, но частично опять возвращаются в застойную зону. Частицы скальных горных пород вносят в застойную зону определенную тепловую энергию, что повышает общую температуру застойной зоны, в результате чего она становится надежно изолированной от зоны обработки. Одновременно в циркуляционных зонах происходит измельчение частиц, усиливаемое вторичным выпаданием наиболее крупных частиц обратно в зону помола. При разрушении мерзлого грунта, а также материалов повышенной влажности общая картина течения газового потока сохраняется. Однако газоматериальный поток, отходящий из зоны помола, в отличие от случая измельчения сухих материалов, активно аккумулирует часть теплоты из этой зоны на просушку частиц и перегрев водяных паров. При этом частицы материала, захватываемые циркуляционными вихрями, могут терять не только свободную, но и связанную влагу. При наличии неоднородностей в измельчаемом материале и определенном соотношении между массой транспортируемого материала и кинетической энергией отходящих газов эти частицы не сразу эвакуируются из зоны помола, а, попадая в циркуляционный вихрь, частично измельчаются в процессе взаимных столкновений и столкновений с ограничивающими стенками. Частицы, выпавшие в помольную камеру, могут подвергаться термомеханическому разрушению. Процесс измельчения может затрудняться накоплением в зоне помола «неподъемных» частиц, скорость витания которых превышает скорость движения газового потока. Если размеры частиц таковы, что вынос их затруднен, а энергия циркуляционных вихрей не достаточна для их захвата и доизмельчения, то они накапливаются в застойных зонах, что может привести к остановке мельницы. Одним из направлений решения этой проблемы – увеличение энергии циркуляции вихрей.

4.4 Закономерности массообмена и энергопотребления в процессе газодинамического диспергирования.

Энергия газового потока, истекающего из сопла, расходуется на смешение его с частицами измельчаемого материала, ускорение этих частиц, изменение их температуры, зоной обработки, выносится через кольцевой зазор. Cистема уравнений Исходя из условий неразрывности и однородности газового потока, закона сохранения энергии и уравнения состояния газа зоной обработки, выносится через кольцевой зазор. Исходя из условий неразрывности и однородности газового потока, закона сохранения энергии и уравнения состояния газа систему уравнений, описывающая состояние системы преобразования энергии может быть представлена следующим образом. Для измельчения сухих материалов (хрупкие горные породы, сухие грунты, бетон, испарение свободной и связанной воды не учитываются) :

Уравнение баланса массы

d(Qг + Qм)/dt = G + G гк + Gм – Gмк = G + Gм – (G гк + Gмк) где G — поступление газа из термогаэогенератора; Gм — поступление массы разрушенной породы в призабойный объем; G гк — выброс газа через кольцевой зазор из скважины; Gмк — выброс породы через кольцевой зазор из скважины; Qr — газ, находящийся в приэабойном объеме; Qм — разрушенная порода, находящаяся в приэабойном объеме; 2) Уравнение баланса энергии (d/dt) [сгQг + смQм)Тх] = E1 – E2 – E3 –(E4 + E5) + E6, (4.17) где Е1= 0,8ср ТхG — энергия, поступающая в помольный объем из термогазогенератора (су и Тх — теплоемкость и температура газа); E2=AP(dv/dt) — энергия, затраченная на расширение газов в призабойной объеме (Р — давление в приэабойиом объеме); Е3 = a(Тхт –Тоб)Fоб — энергия, поглощенная обрабатываемой средой (a— коэффициент теплопередачи от газа к обрабатываемой среде, Tтх— температура газа в пристеночном слое; Т0б — температура обрабатываемой поверхности; Fоб — площадь обработки); Е4= срТх G гк — энергия, уносимая газом через кольцевой зазор; Е5=см Т»п GмкТм* — энергия, уносимая частицами породы через кольцевой зазор (сп — теплоемкость породы, Gмк — вес материала, выбрасываемого через кольцевой зазор Тм* — температура выбрасываемых частиц); Е6 — энергия частиц материала, образовавшихся в момент разрушения. В зависимости от вида измельчаемого материала и его свойств возможно возвращение части энергии, поглощенной поверхностью обработки, но возможен также процесс дальнейшего поглощения этими частицами энергии от основного потока за счет продолжающихся модификационных превращений, химических реакций, испарения связанной воды, сушки, расплавления разрушенных частиц и т.д.; ??3) Уравнение объема призабойной зоны V3 = FскХопт (4.18) где Fск — площадь скважины Хоп — оптимальное расстояние от среза сопла до забоя; 4) уравнение состояния газа PVг= QгRT. (4.19) где Р, V, ,T,R~ давление, объем, температура, газовая постоянная; 5) уравнение объема, занимаемого газом (необходимость ввода этого уравнения вызвана наличием в засопловом объеме взвешенных частиц разрушенной породы, что уменьшает объем, занимаемый газом), du/dt= FскХопт – Vм = V3 – Vм; (4.20)

Уравнение объема, занимаемого породой,

Vм = 1d Qм / rgdt где r -плотность материала частиц; g — ускорение силы тяжести; dQм/dt — изменяемое количество частиц. Реальный процесс разрушения частиц не постоянен вследствие неравномерности работы инжектора и свойств разрушаемой среды. Поэтому масса разрушенной породы, поступающей в засопловую зону, колеблется. Ее увеличение приводит к уменьшению объема газа в засопловом пространстве. При сохранении расхода газа, поступающего в засопловое пространство из термогазогенераторов, уменьшение занимаемого им объема в этом пространстве влечет за собой выдавливание части газа в кольцевой зазор. Масса газа, проходящего через кольцевой зазор, увеличивается, соответственно увеличивается скорость газового потока и эвакуации твердых частиц. В результате уменьшается объем, занимаемый разрушенными частицами в засопловом пространстве. При соответствии термогазодинамических параметров термогазогенератора и свойств разрушаемой среды, правильном выборе расхода газа и диаметра штангн, оптимальном расстоянии до среза сопла величина Vм (объем, занимаемый разрушенными частицами) будет почти постоянной; 7) Уравнение разрушенной породы в призабойной зоне. Количество разрушенной породы в засопловом пространстве определяется ее количеством, находящимся в циркуляционных вихрях, а также увлекаемым отходящими газовыми потоками от лба забоя в кольцевой зазор, следовательно, Q’м= Qкм + Qкм, Где Q’м— частицы породы, захваченные циркуляционными вихрями при установившемся процессе бурения; Qкм — частицы породы, попадающие в кольцевой зазор от лба забоя. В рассматриваемом случае через кольцевой зазор проходят газ и частицы разрушенной породы в твердом, пылеобразном или жндкотекучем состоянии; 8) уравнение расхода газа через кольцевой зазор G1 = ψ [ÎPwг(Fk – Fм) / eR1T], (4.22) Где Fk — площадь кольцевого зазора; Fn — площадь в кольцевом зазоре, занимаемая выбрасываемыми частицами породы; ÎP — перепад давления по длине кольцевого зазора; ю r — скорость движения газа. Величина концентрации частиц выбрасываемой породы в потоке отходящих через кольцевой зазор газов зависит от вида, типа и состояния обрабатываемой среды, характера работы термогазогенератора и его конструктивных особенностей, диаметра штанги, скорости движения газа и массы газовых частиц. Частицы измельчаемого материала должны находиться во взвешенном состоянии; 9) уравнение расхода частиц через кольцевой зазор Qм = ψ мFг rгψгgwг. (4.23) Ψм — коэффициент расхода, определяется опытным путем для каждоro частного случая и зависит от вида и состояния частиц разрушенной минеральной среды; Fг — суммарная площадь, занимаемая частицами газа в кольцевом зазоре; r г — их плотность; wr — скорость движения газа по кольцевому зазору. При постоянной общей массе частиц породы, захваченных застойными циркуляционными вихрями Q’r =const, диаметр штанги, расход газа, а также перепад давлений в кольцевом зазоре, определяемый в основном давлением в засопловом пространстве, должны обеспечить возможность полной эвакуации разрушенной среды, поступающей в засопловый объем из зоны обработки. Увеличение площади кольцевого зазора без изменения массы выбуриваемой породы и расхода газа затрудняет процессы эвакуации частиц разрушенной породы из призабойной зоны, которая может оказаться забитой породой, вследствие чего процесс бурения прекратится, Уменьшение расхода газа без изменения площади кольцевого зазора и массы выбуиваемой породы приведет к тем же результатам. Общее увеличение массы ( газы + разрушенные частицы), проходящей через кольцевой зазор, требует увеличения площади зазора или средней скорости истечения смеси газа и частиц измельчаемого материала из кольцевого зазора; 10) Уравнение скорости выноса частиц. На частицы, выносимые через кольцевой зазор, действуют силы земного притяжения и газодинамического напора. Для обеспечения эвакуации частиц необходима скорость потока wн,, равная: wн = uкр + wизб, (4.24) где uкр — критическая скорость потока, в котором частицы находятся во взвешенном состоянии (скорость витания),uкр = 2,26 Q2aАedч х e(r г /r г , dч, (р» /рг }, здесь Q — коэффициент сужения площади кольцевого зазора, Q=0,96…0,99; aА паметр, характеризующий статические силы сопротивления сре- Хль J, — условный размер частицы, равный диаметру шара, объем ко- — : • равен объему тела неправильной формы; рл. рг — плотность -=-ственно породы и газового потока; а)из — избыточная скорость • -.;. обеспечивающая подъем частиц грунта; 11) Уравнение потребного расхода газа. Расход газа должен обеспечивать вынос измельчаемых из зоны помола (шпура): G = Fкэ(uкр + wизб) = p/4(D2ck-d2ш)(2,26 Q2aАedи + wизб Dск, dш — диаметр скважины и штанги инструмента; 12) уравнение максимального условного диаметра частицы, которая может быть вынесена из шпура в зависимости от G: dч= (G/F — wизб) r г/(aА2 Q4 r г) (4.26) Б. Федоровым предложена расчетная номограмма (рис. 31) возможной величины выносимых частиц в зависимости от расхода газа и величины кольцевого зазора. Исходные данные: иуи,= 0,3 м/с; аА =1,6; Q = 0,98; Рп =2600 кг/м3; рг = 13 кг/м3. Увеличение размера разрушенной частицы и FK требует повышения расхода газа. По результатам экспериментов составлены графики . (рис. 32) для определения лучших условий выноса частиц при использовании инструментов с’ 4Ш=54 мм с G = = 2,7 мэ/мин и G = 4,5 м3/мин на делювиальных отложениях Черемшанского месторождения, представленных щебенисто- М /VUH Рис. 31. Величина выносимых частиц в зависимости от гаэо-производительности и величины кольцевого зазора между диаметром скважины и корпусом термогазогенератора dч условный диаметр выносимых из (забоя) частиц; Fk — площадь кольцевого зазора Рис. 32. Зависимость скорости бурения и количества оставшейся в скважине буровой мелочи от диаметра скважины при разном расходе газа. Диаметр штанги dш = 54 см; — скорость бурения, м/ч. __ — — — высота слоя оставшейся мелочи h, см. Расход газа 2.7 М3/мин (/}, 4,5 м3/м

Постановка задачи оптимизации режимов нагружения частиц

Задача оптимизации режимов газодинамического диспергирования материалов, является общей задачей проектирования газодинамического дезинтегратора (установки), выбора его основных конструктивных вариантов и параметров. В качестве исходных данных процесса оптимизации используется производительность (заданная геометрия внешнего облика установки) и её энергетический потенциал. Взаимосвязь указанных показателей очевидна из следующих рассуждений. Производительность установки по измельченному сырью, является определяющим фактором массы, транспортируемого по отдельным элементам установки, материала. Последняя складывается из массы подаваемого исходного mисх и циркулируемого в мельнице mцирк материала: m = mисх + mцирк . Cущественным моментом в этой зависимости является то обстоятельство, что количество подаваемого в мельницу материала задается своими абсолютными значениями удовлетворяющих технологические требования, величина же циркулируемой в мельнице массы материала определяется энергетическими условиями разрушения и свойствами измельчаемого материала. Если учесть, что для достижения определенных условий (работа без завалов) совершения внутримельничных процессов (разрушения, классификации по размерам и транспортировки частиц материала) требуется определенное количество энергии, вносимой в мельницу рабочим телом- газом, то при данном энергетическом состоянии (давлении, температуре, скорости) определится потребная его масса mг. Материальный баланс потока, проходящего через любое рабочее (кроме труб возврата ???) сечение мельницы будет иметь вид: Или в буквенном выражении: , где = mзагр = m исх+ mцирк+ mгаза ( ) Некоторые массы задаются своими абсолютными значениями, другие – относительными: цирк= ; исх=; цирк ==1; загр =. Для снижения удельных энергозатрат на измельчение, очевидно, нужно снижать величину циркуляционной нагрузки цирк= . Таким образом, критерий минимума относительной массы циркулирующей нагрузки является одним из основных и должен использоваться во всех задачах оптимизации процесса газодинамического диспергирования. Взаимосвязь между относительной массой циркулирующей нагрузки и требуемой относительной массой рабочего тела проявляется через аэродинамическое качество К установки, зависящее от геометрических параметров её конструктивных элементов (измельчителя –помольной камеры с инжекторными устройствами, классификатора, пылеулавливающей системы, транспортных трубопроводов). Как было показано в более ранних работах автора, до 80%, от общего количества подводимой к мельнице энергии, приходится на инжекторные устройства. Поэтому, оптимизация режимов и конструктивных параметров инжекторов является актуальной задачей и может быть решена в процессе специальных исследований. Учитывая имющую место зависимость между mцирк и mг минимизировать следует не только одну относительную массу циркулирующего материала, но и сумму приведенных значений циркуляционной нагрузки и массы перемещающегося газа (цирк + цирк). В ряде случаев бывает целесообразным несколько увеличить mцирк, но при этом значительно уменьшить mг, минимизируя сумму (цирк + цирк) путем рационального выбора геометрических параметров функциональных элементов установки. !!!!!! Показать ниже. Как было показано ранее, величина циркулирующей нагрузки является функцией измельчаемости материала, зависящей, в свою очередь, от физико-механических свойств материала и условий нагружения его частиц. Действующие на частицу в потоке газа нагрузки по своей физической природе можно разделить на три группы: — нагрузки, вызванные столкновением частиц с ограничивающей поток преградой; — нагрузки, вызванные сдвиговой деформацией турбулентного потока газа (рабочего тела), в котором находятся частицы; — нагрузки, вызванные столкновением с другими частицами. Следует отметить, что вся действующая система внутренних (инерционно-массовых) и внешних (аэродинамических или реактивных) нагрузок не должна быть самоуравновешенной. Динамизм гетерогенной системы – непременное условие эффективности газодинамического диспергирования. Каждая из трех групп нагрузок вызывает определенные распределения для каждого сечения суммарных разрушающих сил. В силу сложности количественной оценки поведения частиц в потоке газа четко сформулировать условия изменения внешних нагрузок для различных типов нагружения, очень трудно. Однако можно указать на ряд правил, с которыми следует считаться при максимизации внешних нагрузок. Во-первых оптимизацию загрузки мельницы следует производить одновременно с максимизацией внешних нагрузок. Во-вторых, в процессе максимизации нагрузок следует варьировать не только распределением массовых сил, но и использовать специальные методы управления этими силами с учетом физико-механических и химических свойств измельчаемого материала. (см.