Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теоретические и экспериментальные исследования перемешивающей способности вибрационного аппарата. Монография
.pdf
против направления циркуляции загрузки в камере), можно усиливать
движение смеси или препятствовать ему и существенно влиять на процесс перемешивания. Для интенсивного режима вибрации общее движение смеси в камере и частичное между компонентами создается в результате вращения лопастного вала. Вибрация используется как второстепенное, дополнительное средство, приводящее к разрушению внутренних связей между частицами, уменьшению трения между ними, снижению структурной вязкости, в результате чего каждая частица смеси
получает возможность диффундировать в другие компоненты. Виброперемещение в таких аппаратах, также как и в устройствах со свободным объемом камеры, сопровождается дополнительной активизацией
смеси.
Рассмотренные выше способы принудительного (механического) перемешивания наиболее производительны и эффективны. Однако вибрационное воздействие можно успешно использовать в гравитационных (барабанных, лотковых и бункерных) смесителях. Виброинтесификация процесса гравитационного перемешивания в барабанном
смесителе может быть осуществлена путем сообщения вращающемуся
барабану круговых или направленных колебаний. При этом эффект гравитационного перемешивания, заключающийся в многократном (с частотой вращения барабана) поднятии смеси и свободном падении ее на
материал в нижней части, дополняется хаотическим столкновением
и перемещением зерен под действием вибрации. Использование такого
виброгравитационного принципа перемешивания способствует лучшему перемешиванию, которого невозможно достичь при раздельном
использовании способов.
Улучшение перемешивания в результате вибрации в лотковых
смесителях объясняется более активным самосортированием, относительным скольжением слоев и взаимной диффузией частиц при вибротранспортировании по лотку. В бункерных смесителях вибрация способствует лучшему истечению материала через выпускное отверстие
и исключает их закупорку. Использование вибрации в этих аппаратах
делает их пригодными для перемешивания материалов средней сыпучести (тальк, мел, углеграфитовые порошки и др.). При этом качество
получаемой смеси вполне удовлетворительное.
Наиболее перспективным способом перемешивания жидких сред
с относительно низкой вязкостью является вибрационный с помощью
турбулентных струй, охватывающих весь объем смесителя. Источни-
11
ком турбулентных струй служат перфорированные пластины, расположенные в жидкости в определенном порядке, зависящем от размеров
и конфигурации рабочей камеры, и приводимые в колебательное движение от вибровозбудителя. При вибрации пластины в жидкости возникают отдельные турбулентные струи, которые на некотором расстоянии от пластины сливаются в единый поток, охватывающий всю рабочую камеру и осуществляющий процесс перемешивания.
Интенсивность процесса перемешивания при прочих равных
условиях существенным образом зависит от ускорения пластины.
При относительно небольшом ускорении перемешивание носит спокойный характер. При оптимальном ускорении возникают интенсивные
потоки, носящие ярко выраженный характер турбулентного перемешивания. При этом частицы пульпы быстро поднимаются со дна камеры
и равномерно заполняют весь рабочий объем. При дальнейшем увеличении ускорения пластины характер перемешивания практически не изменяется, а потребляемая мощность увеличивается, поэтому работа
в таких режимах нецелесообразна. Величину и направление турбулентных струй (средняя их длина около 1 м) можно изменять в зависимости
от параметров вибрации, конфигурации пластин и вида их перфорации.
Вибрационные смесители можно эффективно использовать для перемешивания взаиморастворимых маловязких жидкостей, получения взвесей твердых, волокнистых веществ, взмучивания легкого осадка, растворения кристаллических или аморфных тел, выравнивания температуры, предотвращения выпадения осадка, перемешивания в процессах
растворения газа в жидкости и в процессах экстракции и т. д.
Для пастообразных материалов применяют в основном аппараты принудительного перемешивания. Как и в установках аналогичного типа для сыпучих материалов, вибрация рабочего органа смесителя способствует устранению застойных зон в рабочей камере, снижению гидравлического сопротивления перемещения смеси, а также
уменьшению температуры переработки.
Явление смешивания составов складывается из двух элементов:
а) движение всей массы смешиваемых компонентов или отдельных элементов ее объема в смесительном агрегате (циркуляция);
б) собственно смешивание, т. е. взаимопроникновение (диффузия) групп отдельных компонентов смеси друг в друга через обновленные поверхности контакта компонентов с постепенной сменой у данной
частицы соседних частиц, пока не обеспечится однородность распределения компонентов по всему объему смеси [1].
12
На основании многочисленных исследований как с сыпучими материалами [2–4], так и с составами на основе жидких и порошкообразных компонентов [5–7] установлено, что основным фактором, способствующим смешиванию материалов, является их взаимное проникновение (диффузия).
Колебания, приводящие загрузку во взвешенное состояние, улучшают условия тепло- и массообмена и диффузии, увеличивают порозность. Кроме того, колебания корпуса при соударении с загрузкой возбуждают в последней упругие волны, способствующие проникновению
компонентов с различными свойствами друг в друга [8]. Циркуляция
загрузки, являясь вспомогательным фактором при виброперемешивании, способствует обновлению поверхности диффузии за счет перемещения объемов частиц в различные зоны смесителя от входа к выходу
и по сечению корпуса. Благодаря этому достигается однородность
по всему объему смеси. Отсутствие циркуляции загрузки даже при
наличии высокоинтенсивных колебаний значительно замедляет процесс смешения [2]. Поэтому важно выбрать такие рабочие параметры
вибросмесителя, чтобы иметь интенсивные колебания и конвекцию загрузки, которые обеспечивают максимальную скорость смешения.
Большое значение диффузия и конвекция загрузки имеют
при совмещении процессов смешения и сушки. Циркуляция загрузки
обеспечивает смену групп частиц загрузки на греющей поверхности
корпуса, чем она интенсивнее, тем большее количество частиц будет
контактировать с греющей поверхностью, а также будут образовываться новые поверхности контакта частиц с различным теплосодержанием и влажностью. Обновление этой поверхности при наличии градиента температуры и влажности способствует интенсификации теплообмена и ускорению процесса удаления влаги из объема загрузки. Таким
образом, только при наличии интенсивной циркуляции и взаимопроникновения (диффузии) частиц с различным тепло- и влагосодержанием имеет место высокая скорость удаления влаги (сушки).
Взвешенное состояние загрузки при прохождении упругой волны
вибрации позволяет иметь точечное соприкосновение между собой
и нагретой стенкой корпуса. Влага при этом частично отделяется
от твердой фазы и, легко перемещаясь к нагретой поверхности корпуса,
испаряется. Другая часть жидкости остается на поверхности твердой
частицы и при подводе тепла тоже испаряется. Подвод тепла к загрузке
происходит за счет перераспределения частиц, бывших в контакте
13
с нагретой стенкой корпуса и имеющих за счет этого большее теплосодержание и меньшую влажность. Во внутренних слоях загрузки эти частицы выравниваются по теплосодержанию и влажности с другими
частицами.
Одним из важнейших вопросов при оценке интенсивности сушки
в вибрационном смесителе является выбор критерия. В качестве критерия в рамках данной работы предлагается изменение влажности загрузки. Этот критерий достаточно объективно описывает процесс
сушки и имеет простой способ вычисления.
Влажность загрузки определяется досушкой проб, отобранных
через определенные промежутки времени, до постоянного веса. Досушкой определяется количество сухого вещества и остаточной влаги
в материале. По значениям влажности в секции аппарата сушки строятся кривые, вид которых на качественном уровне показывает физическую картину сушки во времени в вибрационном аппарате.
Характер изменения влажности имеет одинаковую форму – экспоненциально уменьшается и приближается к постоянному значению
весовой доли сухого вещества. Кинетическую кривую сушки (рис. 1.3) [9]
можно условно разделить на два участка – (аб) и (бв). Практически вся
влага удаляется в первый период сушки (аб), где происходит интенсивное удаление свободной влаги, находящейся на поверхности сырья
и в объеме аппарата. Эта влага постоянно образуется за счет раздавливания и разламывания материала при измельчении. Несмотря на уменьшение поверхности теплообмена за счет уменьшения объема материала в процессе сушки, скорость сушки остается постоянной за счет постоянного испарения свободной влаги, распределяемой по всей поверхности теплообмена.
При достижении влажности материала менее 30 % его трение
о поверхность корпуса становится близким к сухому трению и появляется циркуляция загрузки. Длина участка (аб), т. е. интенсивность
сушки, зависит от природы и свойств растительного сырья (кривые 1, 2,
рис. 1.3). Период постоянной скорости сушки продолжается практически до полного обезвоживания материала. На участке (бв) интенсивность сушки резко уменьшается, так как происходит досушка загрузки
за счет удаления диффузией через поверхностный высушенный слой
небольшого количества внутренней влаги, находящейся внутри предельно мелко измельченных частиц. На участке (аб) основную роль играет поверхность теплообмена, тесно связанная с коэффициентом заполнения корпуса.
14
Исходя из необходимости максимальной производительности
x
*c
v
x
*c
D
*с
−
=
2
2
и с учетом значительного уменьшения объема загрузки в процессе
сушки за счет удаляемой влаги, следует принять коэффициент заполнения равным единице.
Рис. 1.3. Кривые изменения влажности в процессе вибрационной
сушки с одновременным измельчением:
1 – сушка картофеля; 2 – сушка репчатого лука
Таким образом, виброперемешивание загрузки определяет количественно тепловой поток от греющей поверхности к массе материала,
при этом величина потока обеспечивает скорость испарения влаги
и время получения порошка в целом. Скорость виброперемешивания
и поверхность теплообмена определяются взаимодействием загрузки
с вибрирующим корпусом при оптимальных параметрах вибрации.
В вибрационном аппарате непрерывного действия движение загрузки по спирали от входа к выходу можно назвать конвекцией загрузки в объеме аппарата. Причем процесс в вибросмесителе будет сопровождаться осевым и радиальным смешением. Процесс осевого смешения в направлении оси х при постоянной интенсивности перемешивания описывается уравнением диффузии [10]:
, (1.1)
где D – эффективный коэффициент перемешивания, м2/с.
15
Важным моментом при исследовании теории виброперемешива-
vL/D
vL/D
ния является знание структуры процессов, происходящих в вибросмесителе. Для описания характера потока внутри аппарата непрерывного
действия используется предложение об аналогии процесса перемешивания процессу диффузии, т. е. аппарат мы будем сравнивать с диффузионной моделью. О степени соответствия аппарата диффузионной модели можно судить по виду кривой распределения времени пребывания
частиц в аппарате. Можно предполагать, что вибросмеситель по структуре процессов, происходящих в нем, будет занимать промежуточное
положение между аппаратами идеального вытеснения и идеального
смешения.
В случае импульсной формы возмущения, т. е. при мгновенной
подаче трассера в поток с продольной диффузией, решение уравнения (1.1) дает семейство кривых распределения – С-кривых. Параметром, однозначно характеризующим осевое смешение, является ком-
плекс
– безразмерный параметр аппарата. Этот параметр изменяется от нуля для реакторов идеального вытеснения до бесконечно
большого значения для проточного реактора идеального смешения.
Его обратная величина аналогична эффективному продольному критерию Пекле для массопередачи. На рис. 1.4 изображены С-кривые, рассчитанные на основании диффузионной модели при различной интенсивности перемешивания в проточном реакторе смешения. Кривая 1 соответствует режиму идеального вытеснения, кривая 2 – режиму незначительного смешения, кривая 3 – режиму идеального смешения, кривая
4 – промежуточная величина продольного смешения, кривая 5 – интенсивное продольное смешение. Из рис. 1.4 видно, что по мере увеличе-
ния параметра
соответствующие С-кривые становятся более пологими, а следовательно, величины распределения времени пребывания
элементов смеси в реакторе также возрастают.
Показатель интенсивности перемешивания тесно связан с другой
характеристикой виброкипящего слоя – неравномерностью пребывания
частиц в рабочей камере аппарата. При направленном перемещении
виброкипящего слоя вдоль рабочей камеры смешение материала, находящегося на разных стадиях технологического процесса, значительно
снижается, равномерность его обработки увеличивается.
Как было отмечено еще Д. Бахманом [11, 12], слой сыпучего материала в цилиндрических камерах при круговой вибрации совершает
циркуляционное движение в плоскости, перпендикулярной продольной
16
оси вала вибратора. Но в каждом реальном участке слоя с общим цир-
vL
D
_
vL
D
_
vL
D
_
vL
D
_
vL
D
_
куляционным движением происходят индивидуальные перемещения
частиц в результате их соударения с вибрирующей камерой и друг
с другом, а также в результате неравномерности распределения скоростей потоков материала в объеме аппарата.
Рис. 1.4. С-кривые:
1 –
= 0; 2 –
= 0,02; 3 –
= ∞; 4 –
= 0,025; 5 –
= 0,2
Интенсивность циркуляции и вызываемое ею перемешивание
виброкипящего слоя зависят от параметров вибрации и формы траектории колебаний (круг, эллипс), свойств сыпучего материала и его массы,
размеров камеры, а также других ее конструктивных особенностей. Интенсивность перемешивания определяется и уровнем снижения вязкости слоя при вибрационном воздействии. Циркуляционное движение
виброкипящего слоя происходит вокруг оси, приблизительно расположенной в центре тяжести всего слоя сыпучего материала, находящегося
17
в камере. Движение носит периодический устойчивый характер. Угло-
== ARR
11ц
2
21
= AFRR
тр
'
ц
v
ц
v
c
B
I
sinrlm
v
v
+=1
ц
'
ц
c
I
вая скорость циркуляции основной массы слоя значительно меньше угловой скорости колебаний аппарата.
В аппаратах, где вибратор установлен внутри рабочей камеры
(рис. 1.1), движение материала на поверхности слоя обычно направлено
в сторону, противоположную вращению дебалансов вибратора. В слое,
прилегающем к вибратору, направление перемещения материала соответствует направлению вращения дебалансов. В результате действия
встречных потоков частицы материала перемешиваются, однако
направление циркуляции основной массы остается противоположным
направлению вращения дебалансов вибратора.
Скорость циркуляции основной массы слоя определяется как
, (1.2)
где v – скорость вибрации камеры аппарата; R1 – коэффициент передачи
движения от камеры к слою, который пропорционален коэффициенту
трения материала о стенку камеры и ускорению вибрации:
. (1.3)
Как показано Овчинниковым [13, 14], Механиковым [15] и Трощеновским [16], значительное увеличение скорости циркуляции материала и интенсификация процесса перемешивания могут быть получены при выносе вибратора из рабочей камеры. В этом случае отноше-
ние скоростей циркуляции слоя в камере с вынесенным вибратором
и с центральным вибратором
может быть выражено в виде
, (1.4)
где mB – масса дебалансов вибратора; r – эксцентриситет дебалансов
вибратора; l – расстояние от геометрического центра камеры аппарата
до оси дебалансного вала; θ – угол между плоскостью, проходящей через оси камеры и вибратора с горизонтом;
– момент инерции под
рессорой массы относительно центра масс.
В цилиндрических аппаратах, совершающих круговую вибрацию, циркуляционное перемещение, а следовательно, и перемешивание
сыпучего материала определяются силой трения между материалом
и стенкой камеры и в меньшей степени зависят от возникающего в слое
перепада давления газовой среды. Это позволяет применять такие аппараты в процессах, протекающих в глубоком вакууме.
18
Очень важно в аппаратах с виброкипящим слоем обеспечить рав-
2
1
1
k
cosRAv
ср
−=
= cos
g
sinA
k
2
номерность пребывания отдельных частиц в рабочей камере, что не
входит в задачу только перемещения материала. Скорость перемещения
и характер движения частиц в слое зависят от параметров вибрационного воздействия, угла направленных колебаний и наклона лотка,
свойств материала, высоты слоя, направления и скорости движения газа
и других факторов.
Средняя скорость перемещения материала на горизонтальном
лотке со сплошным дном при углах направления колебаний β от 20 до
35° определяется по формуле
, (1.5)
где
– коэффициент режима работы.
Коэффициент R определяется экспериментально в пределах
от 0,2 до 1,1. Угол наклона лотков к горизонту под уклон. Скорость
возрастает в среднем на 3–10 % на каждый градус наклона лотка. Повышение интенсивности процессов вибротранспортирования в виброкипящем слое требует уменьшения размера частиц материала. Исследования показали, что скорость перемещения материала в жидкости ниже,
чем в воздухе. С увеличением частоты и амплитуды вибрации скорость
перемещения возрастает. С уменьшением размера частиц материала
скорость перемещения снижается. Важно отметить, что массовое перемещение нефракционированного материала не сопровождается разделением его частиц по крупности. Оптимальный угол направления вибрации находился в диапазоне от 29 до 34° в воздушной среде.
19
2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЗАГРУЗКИ С КОРПУСОМ
В ВИБРАЦИОННОМ СМЕСИТЕЛЕ
Главными факторами при анализе процессов тепло- и массообмена в системах типа виброкипящего слоя, определяющими тепловые
свойства этих систем, являются подвижность и перемешивание слоя
дисперсного материала [1]. Распространение тепла в виброкипящем
слое зависит в основном от количества тепла, переносимого самими частицами при их перемещении, и мало – от теплопроводности загрузки
и количества тепла, переносимого воздушной средой [17, 18]. Экспериментальные исследования [19, 20, 21, 22], показали, что основное термическое сопротивление при теплообмене между поверхностью нагревателя и слоем высушиваемого материала сосредоточено вблизи первого ряда частиц и теплообмен определяется характером переноса тепла
на границе пакета с поверхностью.
Влияние вибрации на теплообмен в вибрационных аппаратах
наиболее ярко проявляется начиная с определенных критических параметров колебаний. Как показали исследования [23], коэффициент теплообмена между поверхностью нагрева и высушиваемым материалом
при увеличении параметров вибрации повышается только с началом перемешивания в объеме аппарата. До перемешивания наблюдается даже
снижение интенсивности теплообмена за счет снижения объема, влажности и, следовательно, поверхности контакта материала в процессе
сушки. Перемешивание является определяющим фактором интенсивности теплообмена в вибрационном смесителе.
Параметры вибрации, при которых наступает интенсивное перемешивание, зависят от размера и плотности частиц, влажности материала, коэффициента трения между частицами и других физико-механических свойств среды [24–26].
Известно [27, 28], что вибрационные смесители и мельницы относятся к классу вибрационных машин для сообщения вибрации загрузке, находящейся в свободном состоянии. В этот класс входят вибрационные конвейеры, грохоты, питатели, дозаторы и т. д. Изучение закономерностей движения загрузки в вибросмесителе является первой
задачей теории процесса виброперемешивания. Основой для выяснения
этих закономерностей может служить достаточно полно разработанная
теория вибротранспорта [5, 26, 29], если принять, что вибрационные
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]