3.1.5.Измельчение в воздушном потоке

3.1.5.1. Действие воздушного потока на измельчаемый материал

Воздушный (аэродинамический) поток обеспечивает тонкое и сверхтонкое дробление материалов. Действие аэродинамических потоков может проявляться как в явном виде, так и скрыто.

К устройствам первого типа относят измельчители, в которые входят специальные узлы для организации воздушных потоков, ввода в них измельчаемого материала и вывода измельченных продуктов. Примером такого измельчителя может служить струй­ная мельница.

К устройствам второго типа относят измельчители, в кото­рых воздушные течения возникают как побочный эффект, хотя их скорости достигают нескольких десятков метров в секунду. Благодаря этим течениям можно реализовать частичное измель­чение материалов. Такие воздушные потоки возникают в любых измельчителях, в которых имеются быстровращающиеся рото­ры: в дезинтеграторах, молотковых дробилках, пальцевых мель­ницах, роторных мельницах с зубчатоподобным зацеплением, ультрароторах и др. Действие воздушных потоков на измельчае­мый материал принципиально одинаково во всех устройствах. На эту составляющую процесса измельчения не всегда обраща­ется должное внимание, поэтому зачастую она организуется случайным образом со всеми последствиями как по эффектив­ности создаваемых измельчителей, так и по продолжительности их отработки.

3.1.5.2. Измельчение в струйной мельнице

В струйной мельнице (рис. 3.5) источником энергии служит сжатый воздух, поступающий через два сопла 1 двумя потоками - один навстречу другому через инжекционные трубки 2. В них вво­дятся сыпучие частицы измельчаемого материала из бункеров 3. В инжекционных трубках измельчаемые частицы ускоряются до скоростей в несколько десятков и даже сотен метров в секунду, и оба потока сталкиваются в камере измельчения 4. На выходе из этой камеры получают воздушный поток с измельченными части­цами. При объяснении механизма дробления в струйных мельни­цах обращают внимание, как правило, на измельчение частиц при их лобовом соударении. Именно этим эффектом объясняют и весь механизм дробления. Обычно отмечают важную роль концентра­ции частиц в сталкивающихся струях или коэффициента инжекции материала воздушными струями.

Если в объяснении механизма измельчения в струйных мель­ницах стоять на механистических позициях, считая, что измельче­ние реализуется при лобовом соударении твердых частиц или при их соударении с твердой преградой, то влияние концентрации ча­стиц в потоке можно объяснить вероятностью их столкновения. С повышением концентрации частиц увеличивается их плотность в потоке и соответственно вероятность столкновения во встречных потоках. Это объяснение, однако, вступает в противоречие с гид­родинамическими представлениями о движении частиц в потоке. Рассмотрим особенности этого движения.

Измельченный продукт

Рис. 3.5. Схема струйной мельницы:

1- сопло воздушного потока; 2 - инжекционная трубка; 3 - бункер материала; 4-камера измельчения

Схема сил, действующих на частицу в воздушном потоке, на­правленном горизонтально, т. е. нормально направлению силы тя­жести, изображена на рисунке 3.6.

Если выразить эти силы через параметры частиц в воздушном потоке, получим

где R_x ,R_y - горизонтальная и вертикальная составляющие силы лобового сопро­тивления частицы обтекающему ее потоку воздуха, H, R_ux, R_uy - инерционные силы, действующие на частицу в направлениях осей х, у, Н; G - сила тяжести, Н; R_a - архимедова сила, Н; V_x, V_y, u_x, u_y - скорости среды и частицы в горизонталь­ном и вертикальном направлениях; d - диаметр частицы, м; m - масса частицы, кг; _ч , _с - соответственно плотность частицы и среды, кг/м³; , - ускорения час­тицы в горизонтальном и вертикальном направлениях, м/с².

Уравнения равновесия частицы с учетом инерционных сил (по Даламберу) могут быть записаны в виде

при граничных условиях

при

y

R_A

R_b,y

R_y

R

v

x

R_ux

R_x

R_b,x

R_uy

Рис. 3.6. Схема сил, действующих на частицу воздушном потоке.

Подставив выражения для сил, воздействующих на частицу, получим:

где R_Bx ,R_By - силы вязкостного сопротивления движению в горизонтальном и вертикальном направлениях Н при тех же граничных условиях.

Из полученных уравнений движения твердой частицы в потоке можно видеть, что появление любой случайной составляющей скорости воздушного потока V_x или V_y приводит к ускорению час­тицы в этом же направлении. Смещению частицы в этом направ­лении препятствует сила вязкостного сопротивления движению и (для смещений в вертикальном направлении) разность сил веса и архимедовой силы. Такое движение частиц существенно затрудня­ет лобовое столкновение.

Представим, что две одиночные частицы движутся во встреч­ных потоках таким образом, что должны столкнуться. По мере их сближения воздушные потоки будут все более отклоняться от дви­жения во встречном направлении за счет обтекания частиц. Вследствие этого в потоках будут возрастать составляющие скоро­сти V_y, приводящие к отклонению движения частиц от направле­ния вдоль оси х. Частицы в большей или меньшей мере будут от­клоняться от первоначального направления движения в зависимо­сти от соотношения возмущающих сил, сил инерции и вязкости. Во всех случаях это приведет либо к непрямому лобовому столк­новению, либо к полному отсутствию столкновения. Иными сло­вами, во всех случаях вследствие обтекания частиц потоком их движение может изменяться только в направлении отклонения от столкновения, а не в направлении повышения его вероятности. Рассмотрение возможности столкновения твердых частиц во встречных потоках полностью аналогично рассмотрению возмож­ности столкновения частиц среды между собой в этих же потоках. Последняя задача подробно рассмотрена Рейнольдсом, который обобщил выводы в виде оценок устойчивости течения. Устойчи­вость течения по Рейнольдсу определяется численным значением критерия Рейнольдса. Этот критерий по физическому смыслу яв­ляется отношением инерционных сил, направленных на сохране­ние равномерного прямолинейного движения частиц, и сил вяз­кости, направленных на сглаживание пульсаций скорости, т. е. на плавное обтекание препятствий вместе с несущим потоком. В за­висимости от преобладания инерционных или вязкостных сил движение может быть ламинарным или турбулентным. При лами­нарном движении лобовое столкновение частиц невозможно. Они плавно «обтекают» друг друга вместе с потоками воздуха, обтекаю­щими частицы как твердые преграды. С повышением числа Рей-нольдса столкновения частиц делаются все более вероятными.

Приведенное рассмотрение справедливо для движения одиноч­ных частиц в неограниченном потоке. В струйных мельницах час­тицы движутся в так называемых консолидированных потоках, т. е. плотными группами, в которых проявляется взаимное влия­ние частиц друг на друга. В плотной группе частиц отклонение их движения от равномерного прямолинейного затруднено, поэтому столкновения частиц во встречных потоках делаются все более ве­роятными.

Фактические значения массового коэффициента инжекции струйных мельниц, т. е. отношения массового расхода твердых ча­стиц к массовому расходу воздуха в струях высокого давления, ис­текающих через сопла 1 (см. рис. 3.5), составляют 0,1...0,5. Объемные коэффициенты инжекции при этом составляют (0,5...2,5) 10^-4, т. е. в двухфазном потоке воздуха вокруг каждой твердой частицы располагается около 10 000 таких же объемов воздуха. Это приближает фактическое консолидированное движе­ние частиц в струйных мельницах к движению одиночных частиц в потоке со всеми проявлениями неустойчивости лобового столк­новения. Иными словами, в условиях реальных струйных мельниц движение частиц еще далеко от консолидированного. На основа­нии данных оценок можно утверждать, что лобовые столкновения частиц измельчаемого материала в струйных мельницах реализу­ются относительно редко. Однако при достаточно больших значе­ниях критерия Рейнольдса должны наблюдаться «непрямые» стол­кновения частиц, т. е. столкновения скользящего типа с трением частиц друг о друга. Это свидетельствует о том, что измельчение частиц должно быть не ударным, а истирающим. Именно такой характер измельчения и наблюдается в струйных мельницах.

Основное влияние на измельчение истиранием в струйных мельницах оказывают относительные скорости движения сопри­касающихся частиц и плотности их потоков.

Высокие относительные скорости движения частиц в противоточных струйных мельницах реализуются в относительно неболь­шом пространстве камеры. Большая ее часть занята вихревыми то­ками воздушных струй, в которых также происходит измельчение при меньших значениях относительных скоростей частиц.

Если считать, что при шлифовании металлов скорости абразив­ных кругов, контактирующих со шлифуемой поверхностью, дос­тигают 10...80 м/с, то близкие к этим, хотя и меньшие значения относительных скоростей измельчаемых частиц можно считать необходимыми и для истирания в струйных мельницах.

Такие скорости воздушных потоков реализуются во многих мельницах. Например, если на периферии ротора достигается ок­ружная скорость 200 м/с, а зазор между ротором и корпусом равен 0,5 мм, то градиент скоростей воздушного потока в зазоре состав­ляет 400 м/(с мм). На расстоянии 50 мкм (два радиуса соседних частиц диаметрами по 50 мкм каждая) изменение скорости соста­вит 20 м/с. Именно с такой относительной скоростью будут дви­гаться в этом зазоре две соседние твердые частицы. Такая относи­тельная скорость, а, возможно, и гораздо меньшая достаточна для их измельчения истиранием. Аналогичные процессы истирания могут реализоваться в молотковых дробилках, дезинтеграторах, пальцевых мельницах и др. Это может вносить су­щественный вклад в суммарный процесс измельчения в них.