ГДД 04 Глава 3 — 3 — Технологии измельчения и переработки

1.3. Технологические аспекты и эксплуатационные характеристики ГДД

Газодинамические дезинтеграторы, как класс измельчительных агрегатов, харакеризуются тем, что в силу специфики характера взаимодействия газового рабочего тела с измельчаемыми частицами, процесс измельчения сопровождается целым рядом эффектов, позволяющих, при соответствующих условиях, существенно изменять отдельные, наиболее важные для каждого конкретного случая, параметры, измельчаемого материала. Чаще всео реализуется (используются, применяются): (?) эффект Коанда,… Технические решения (ТР) некоторых элементов ГДД содержат комбинации нескольких технических эффектов.

1.1. Особенности исследуемых процессов.

Анализ состояния и перспектив использования газовых потоков в ряде промышленных технологий показывает [76 из Жукова ..], что основными классами гетерогенных струйных течений, представляющих наибольший интерес для совершенствования процессов обработки дисперсных материалов являются свободные и коаксиальные струи. Известно, что каждый исследуемый объект накладывает свои специфические требования к диагностическому оборудованию и к математическим моделям для его описания. При газодинамическом диспергировании струя является основной технологической зоной обработки измельчаемых материалов, поэтому, располагая такими важными параметрами, характеризующими ее структуру, как скорость, температура, концентрационный состав газовых компонентов, турбулентность, можно эффективно проводить оптимизацию процесса ускорения,нагрева,химической обработки исходного материала с целью обеспечения требуемого качества получаемого продукта. Следовательно, самостоятельный интерес как объект диагностики представляют высокотемпературные однофазные струи, используемые при переработке дисперсных материалов. Последнее необходимо для получения достоверных данных, характеризующих, при прочих равных условиях, влияние твердой фазы на локальные и интегральные параметры газового потока, оценки погрешностей принимаемых физических допущений, апробации математических моделей и т. п.. Характерными особенностями этих струй являются: 1) мно-гокомпонентность, так как реальные источники газового энергоносителя, как правило, работают на смесях различных газов [H 2 (топливо)+F2 (окислитель), H 2 (топливо)+O2 (окислитель), керосин (топливо)+O2 (окислитель), керосин (топливо)+HNO3 (азотная кислота — окислитель), керосин (топливо)+воздух (окислитель),Ar+N2, Ar+H2 , Ar+He , Ar+Na+H2, и других]. Многокомпонентность также необходимо принимать во внимание при истечении струи однокомпонентного газа в среду, отличную по составу; 2) наличие значительных градиентов скорости и температуры в поперечных сечениях струи, что обуславливает различные скоростную и температурную предыстории частиц порошковых материалов (последним объясняется необходимость жесткого контроля условий ввода частиц в газовую струю); 3) высокая степень турбулентности, из-за крупно- и мелкомасштабного шунтирования дуги (?). Наличие средств диагностики, обеспечивающих в автоматизированном режиме проведение одновременных измерений скорости, температуры и состава в высокотемпературной струе многокомпонентного газа, позволило бы вплотную подойти к решению важной прикладной задачи — паспортизации струй газодезинтеграторов различного технологического применения. При исследовании двухфазных неизотзермических потоков типа газ — частицы значительную сложность представляет корректный учет теплового и динамического взаимодействий фаз в осредненном и пульсационном движениях, столкновения и коагуляции частиц, их дробления, вращения, поскольку закономерности движения и возможности математического описания таких систем находятся в тесной связи с концентрацией дисперсного материала в газовом потоке [77]. Поэтому представляет интерес оценка сверху для объемной концентрации частиц при наиболее характерных условиях обработки порошковых материалов (газоструйное измельчение, сфероидизация частиц, сушка материала, его обогащение, пневмотранспорт и т. п.) [78 см. Жуков …с.20]. Для этого достаточно оценить максимально возможную степень загрузки потока k_max= (G_м/, где G_м,, G — массовые расходы измельчаемого материала и рабочего газа. Здесь и далее индексы м и f отвечают cоответственно параметрам частиц и газа. Как известно [3 ?], наиболее распространенным способом ввода порошкового материала в плазменную струю является его подача под срез инжектирующего сопла с помощью трубки-шихтопровода некоторого радиуса r_s. Зафиксируем массовый расход рабочего газа, истекающего из сопла. Для простоты будем пренебрегать влиянием расхода транспортирующего газа, что еще более усилит оценку к _max. Ограничимся рассмотрением случаев, когда необходимо: 1) нагреть и полностью расплавить материал; 2) нагреть и перегреть порошковый материал до температуры T, где Т_р,пл, Т_{р, кип} — температуры плавления и кипения материа; 3) полностью испарить порошок. ???????? Используя простейшие уравнения теплового баланса и предполагая ввод дисперсного материала через кольцевую радиальную щель ширины Δz, непосредственно примыкающую к срезу сопла таким образом, что он мгновенно равномерно распределяется по сечению сопла (аргумент в пользу такой схематизации процесса — постоянная времени нагрева частиц,которая на один-два порядка меньше постоянной времени их динамической релаксации), будем иметь следующие оценки: (с.21 Жуков ..) OtyV-VW]/ty^byV+7;p,nn]’ <‘•» ОГУУ-УФ]/[УФЛ(^)+£Р.пл]1 (1″2) k(3\[hf(r,. ‘)-hp(T }}/{h (T }-h (T )+L +L ], (1.3) max / f0 f р.кигг p р,кигг px p0 р,плр,кип где t.l- ^ Т — начальные температуры плазмообразующего газа j о уо и частиц порошка; Lp,пл, Lкип — теплота плавления и кипения материала (жидкости); h(T) — удельная энтальпия при температуре Т. При получении соответствующих оценок для sконкретизируем условия ввода частиц в струю. Значение параметра Δz выберем, исходя из требования равенства площадей кольцевой щели и выходного сечения трубки-шихтопровода, т.е. Δz= где г_с — радиус сопла инжектора. Считаем, что двухфазное течение на выходе из кольцевой щели динамически равновесно. Это позволяет оценить начальную скорость частиц и транспортирующего газа : где плотность и расход рабочего газа Обозначая через s_p среднюю объемную концентрацию твердой фазы на выходе из разгонной трубки, получили значение её расхода: С другой стороны, согласно выше изложенному, G_pЕсли отнести мгновенный расход частиц к выходному сечению инжектора (плазмотрона), то получаем искомую оценку (1.5) Обычно в процессах обработки порошковых материалов, вводимых в реакционную зону с помощью транспортирующего газа (при ином способе ввода необходимо откорректировать (1.5) с учетом реальной оценки для ), G Окончательно получено уравнение см.с.22 Gрасход газа, соответственно рабочего (от источника) и транспортирующего (? подсасываемого). B качестве примера в табл. 1.1 приведены значения к, sp для ряда материалов при их обработке в воздушной, азотной и аргоновой плазме, характеризующие указанные выше случаи 1)-3). Используемые при этом теплофизические свойства •материалов и соответствующие литературные ссылки приведены в табл. nike air max classic bw soldes 1.2, а свойства газов принимались согласно [79]. Приведенные материалы позволяют сделать вывод о том, что широко используемый на практике способ ввода порошка в ую струю существенно локализует зону обработки материала, это приводит к заниженному использованию энергии струи и невысокому термическому КПД процесса, а также к необходимости искусственного снижения коэффициента загрузки потока дисперсной фазой. Как видно из табл. 1.1, согласно классификации [77], в запыленных плазменных струях, применяемых в процессах обработки порошковых материалов, могут реализовываться условия как слабозапыленного потока, так и потока газовзвеси. coats jackets Однако, поскольку полученные оценки для к_max и s_max, нe учитывающие тепловую инерционность частиц заданного гранулометрического состава при их ускорении в реальном поле скоростей и температур струи, завышены и в ряде технологических процессов возникает потребность не только в расплавлении порошка, но и в его перегреве выше температуры Т_р,пл, а в некоторых случаях — и испарения, по-видимому, интерес представляет изучение процессов межфазного переноса импульса, теплоты и массы в слабозапыленных высокотемпературных струях ???????. adidas stan smith Как показано в работе (Жуков М. Ф., Солоненко О. П. высокотемпературные запыленные струи в процессах обработки порошковых материалов./ Отв. ред. Chaussures Adidas В. Е. Накоряков. Новосибирск. ИТ СО АН СССР. 1990. 516 с.) плазмодинамика дисперсных струйных систем отличается от высокотемпературной газодинамики однофазных многокомпонентных сред наличием в несущем потоке мелкодисперсной примеси, состоящей из твердых или жидких частиц различных размеров, форм и с различными теплофизическими свойствами, которые, если принять во внимание многообразие технологических процессов обработки порошковых материалов, могут обмениваться с газовым потоком импульсом, теплотой и массой, а также претерпевать различные фазовые и химические превращения. В большинстве случаев, представляющих практический интерес, фракционный состав порошковых материалов, получаемых в газодинамических дезинтеграторах лежит в интервале 5-100 мкм. Как показано выше, массовый расход частиц может быть соизмерим с расходом рабочего газа, а в некоторых случаях существенно превосходить его. Поскольку же характерной особенностью механизма движения и теплообмена в многофазных высокотемпературных потоках является ускорение (торможение) инерционных частиц за счет вязких сил, сопровождающееся нагревом (охлаждением), плавлением (кристаллизацией), а иногда — испарением (конденсацией), образованием новых частиц, их ростом, дроблением, коагуляцией и т.п., то становится очевидным, что для правильного качественного понимания процессов, происходящих в высокотемпературных запыленных струях, корректной постановки физического эксперимента, выбора требуемых средств диагностики и интерпретации получаемых опытных данных необходимо для фиксированного размера D_р частиц иметь возможность проведения оперативных оценок характерных времен ускорения (τ₁ ), нагрева от начальной температуры исходного материала до заданной технологическим режимом температуры материала (τ₂), нагрева до температуры кипения влаги (τ ₄), наконец, полного испарения (τ₅). При получении оценок для τ_ί, (ί = 1-5) в первом приближении, ограничиваясь рассмотрением одиночной сферической частицы, внезапно помещенной в однородный по продольной скорости и температуре T газовый поток, пренебрегая влиянием частицы на динамику потока, получены следующие оценки [Жуков М. Ф. ..с.26]: — время ускорения τ₁= ρ_рD

время нагрева до заданной температуры τ₂≈ [(1+0,2 Bi⁽¹⁾)ρ_pc_p⁽¹⁾D_p²/(6λ] x

x ln[(T]; — ….с. 26. где φ_р— поправка к стоксовому режиму обтекания частицы, которая, например, с учетом инерционных эффектов имеет вид . [87] φ_{р =}1+0,15 Re— число Рейнольдса, построенное по начальной относительной скорости частицы; Nu_р =2+0,6 Re^0,5Pr^0,33 — число Нуссельта, учитывающее вклад конвективного теплообмена в коэффициент теплоотдачи частицы [88]; Pr=μ число Прандтля; Bi =— число Био, характеризующее степень неоднородности температуры внутри частицы при ее нагреве; верхние индексы 1, 2 отвечают соответственно параметрам частицы при температуре Т_р и Т_р,зад. Как показало решение внутренней задачи нестацианарной теплопроводности [], перепад ΔТ_р(Fo) температуры в частицах ряда порошков в условиях, характерных для процессов обработки дисперсных материалов в газовых потоках, может достигать заметной величины. Данный перепад при Fo1/12 может быть выражен через текущую среднемассовую температуру Т_Р(Fo) частицы согласно[78]: ΔT_p(Fo)= T_p(R_p,Fo)-T_p(0,Fo)]=á0,5Bi[TT_p(Fo)]/(1+O,2Bi)}x x á1+[0,1Bi(1+0,1Bi)]/(3+1,2Bi+0,1Bi²)â где Т_P(Fo)~T-(Т-Т)exp{-3FoBi/(1+0,2Bi)}; Fo=α_pτ/R α_p=λ_p/(ρ_pc_p). При Fo<!/12 оценка, для ΔT_P(Fo) имеет вид ΔT_P(Fo)=(T, w=5,1 2Bi . Все изложенное в сочетании с материалами табл. 1.4, в которой приведены значения критерия Bi для указанных выше конкретных условий, убедительно подтверждает необходимость проведения совместных экспериментальных и расчетных исследований межфазного тепло- и массопереноса в высокотемпературных запыленных потоках, поскольку существующие методы измерений позволяют, в лучшем случае, зарегистрировать лишь температуру поверхности отдельной частицы. Внутреннее же состояние частицы, включая возможные фазовые и химические превращения в ее объеме, можно предсказать лишь с помощью вычислительного эксперимента, опирающегося на опытные данные, с достаточной степенью точности описывающие поля скоростей, температур и химического состава исследуемой струи. При этом расчет межфазного тепло- и массопереноса требует знания также температуры поверхности частицы, которая может быть корректно определена лишь в результате решения внутренней задачи нестационарной теплопроводности, т.е. с учетом реального градиента температуры. ugg chaussons Расчет же по ее среднемассовому значению приводит для тугоплавких соединений к существенному завышению плотности теплового потока, а следовательно, может являться одной из причин заметного расхождения расчетных и измеренных температур частиц. Подобное систематическое отклонение отмечалось в ряде работ, например, в [89]. Поэтому необходима разраь ботка алгоритмического и программного обеспечении, позволяющих эффективно проводить исследование внутренней задачи нестационарного тепло- и массообмена с учетом возможного многообразия случаев, реализуемых при обработке порошковых материалов в плазменных потоках (одновременность плавления и испарения частицы; сложная рекристаллизация частицы; когда два фронта движутся навстречу друг другу; обработка плакированных, в том числе термореагирующих порошков и т.п.). В случае процессов высокотемпературной обработки порошковых материалов его частицы проходят стадию плавления, представляется уместным привести оценку характерного времени сфероидизации жидкой частицы τ ₆~μ_рD_p/σ_p, где μ_р,σ_p — динамическая вязкость и коэффициент поверхностного натяжения расплава. Данный параметр для металлов на несколько порядков меньше всех указанных выше времен. Это в сочетании с оценкой числа Вебера We= < 1 позволяет считать, что любая расплавленная металлическая частица при движении в плазменной струе имеет форму сферы. Кроме того, для интересующих нас случаев свободной конвекцией внутри расплавленной частицы можно заведомо пренебречь. Эффективность обработки порошковых материалов во многом определяется характером течения в струе газа конкретного источника энергоносителя, способом и стабильностью ввода частиц в газовый поток, гранулометрическим составом дисперсной фазы, мощностью, струи и т.д. В конечном же итоге суммарная эффективность процесса находится в прямой зависимости от характера движения и нагрева отдельных частиц, вводимых в поток газа. Из газодинамики многофазных ситем хорошо известно [90-92] , что в общем случае на движение частицы оказывают влияние многие факторы: инерционность движения несущего потока, степень разреженности и сжимаемости потока, его турбулентность и возможный градиент давления, градиенты скорости и температуры среды, ускорение частицы, степень шероховатости поверхности частицы и ее несферичность, испарение и деформация жидкой частицы, степень двухфазности запыленного потока. Большинство из перечисленных факторов может оказывать влияние на тепломассообмен частицы в высокотемпературном потоке. Анализ зависимостей, используемых при аппроксимации вклада того или иного фактора в коэффициенты сопротивления и теплоотдачи частиц порошковых материалов, приводится в [8, 23, 68, 71, 93], где отмечается, что данные вопросы применительно к условиям, характерным для плазменных температур, требуют проведения дальнейших специальных исследований. Особого рассмотрения заслуживают процессы межфазного турбулентного обмена импульсом, энергией и массой в высокотемпературных запыленных струях. Как отмечается в [ Жуков М. Ф. …; 94: Тюльпанов Р. С. new balance soldes Об особенностях тепло- и массообмена крупных капель в высокотурбулентных потоках // Инж.–физ. журн. 1976. Т. 31, № 4. С. 619-625], к настоящему времени накоплено достаточное количество опытных данных, подтверждающих существенное влияние турбулентных пульсаций на процессы тепломассообмена сферических тел, когда масштабы пульсаций больше или сравнимы с диаметром частиц. Проведена оценка характерных частот турбулентных пульсаций [95], определяющих теплообмен капельной взвеси. Показано, что применительно к рассмотренному случаю средние значения этих частот лежат в интервале 2-8 кГц, в то время как средние частоты пульсаций, ответственных за турбулентный перенос капельной взвеси, изменяются от 0,4 до 0,8 кГц. Это позволяет допустить, что в указанных двух процессах (перенос инерционных частиц и их тепломассообмен) используются различные интервалы спектра турбулентных пульсаций несущей среды. Из этого, естественно, напрашивается вывод, что характерные частоты турбулентных пульсаций газового потока, определяющих турбулентную диффузию инерционной примеси и ее тепломассообмен, находятся в прямой зависимости со временами динамической τ₁и тепловой τ₂ релаксаций частиц, которые применительно к рассматриваемому нами случаю удовлетворяют соотношению τ₂/τ₁<10^-1– 10^-2. Уместно заметить, что в ряде случаев может иметь место рассеяние массы, импульса и теплоты в турбулентной газовой струе для очень инерционных частиц (τ₁»τ*). Однако рассеяние массы частиц, а также их импульса и теплоты не следует связывать исключительно с механизмом турбулентной диффузии, поскольку оно может быть сопряжено со случайными отклонениями в начальных условиях движения частиц. некоторого среднего значения. Подобный эффект может превалировать над турбулентной диффузией и в процессах обработки порошковых материалов, вводимых в струю плазмы. Здесь вследствие неравномерности в подаче порошка также может наблюдаться рассеяние субстанций в направлении, перпендикулярном оси струи. Еще одной причиной псевдотурбулентного переноса массы, импульса и теплоты частицами могут стать межчастичные взаимодействия, роль которых возрастает при переходе от слабозапыленного потока к потоку газовзвеси. Некоторые аспекты данного явления затронуты в работе [96], однако для рассматриваемого случая они требуют более детального изучения. Существенным развитием полуэмпирических моделей турбулентного переноса массы и импульса твердыми или капельножидкими частицами в изотермических запыленных струях явились работы [97-99], позволившие добиться удовлетворительного качественного и количественного согласия с опытными данными [100,101]. Резюмируя сказанное, можно отметить, что в целом вопросы турбулентного переноса тяжелой примеси разработаны еще недостаточно, поскольку не учитывают во всей совокупности ряда особеннотей,присущих реальным двухфазным струйным течениям,таких как: 1) конечное время взаимодействия частиц с турбулентным потоком; 2)пространственная неоднородность осредненных и турбулентных характеристик струи; 3) наличие разности скоростей между дисперсными частицами и средой; 4) избирательный характер взаимодействия мелких инерционных частиц с различными вихрями энергосодержащего диапазона. Если же принять во внимание все изложенное выше, то не-обходимость исследования особенностей турбулентного переноса инерционных частиц становится более очевидной. Еще одним важным и малоизученным процессом, характерным для течений в гетерогенных плазменных струях, является излучение нагретого до высоких температур потока дисперсных частиц. Ограниченность опытных данных по фундаментальным характеристикам излучения материалов при высоких температурах крайне затрудняет теоретическое исследование оптических свойств ансамблей частиц. В этой связи представляет методический и практический интерес работа [102],посвященная экспериментальному исследованию данного явления. Выполненный анализ высокотемпературных запыленных струй сложного газового состава с примесью дисперсных частиц позволяет отметить, что многообразие факторов, широкий диапазон изменения режимных параметров и чрезвычайная сложность межфазного энерго- и массообмена настоятельно требуют развития современных методов диагностики, хорошо зарекомендовавших себя при исследовании изотермических двухфазных потоков, их перекрестной проверки, а также разработки технического, методического, алгоритмического и программного обеспечении, способствующих лучшей интерпретации опытных данных, и позволяющих более обоснованно подойти к созданию физических основ плазмодинамики струйных течений дисперсных систем.