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氣流粉碎機粉碎能效要素的探討
2015年03月07日 發布 分類:粉體加工技術 點擊量:3164
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      眾所周知,氣流粉碎機主要是靠顆粒碰撞進行粉碎作業的粉碎設備。顆粒碰撞比較復雜的問題是顆粒的碰撞概率,顆粒在加速后能否相互碰撞及碰撞幾率對氣流粉碎機的能效比有較大的影響。


       研究人員分析了顆粒碰撞的應力分布與沖擊速度的關系,結出了兩顆粒以一定的速度碰撞所產生的最大應力為:

     式中,m1、m2——兩顆粒的質量,kg;

      r1、r2——兩顆粒碰撞部位的曲率半徑,m;

      μ1、μ2——兩顆粒的泊松比;

      Y1、Y2——兩顆粒的彈性模量;

      ——顆粒的相對運動速度,m/s。

      在特殊情況下,

     其中,

      ——介質中聲速

      當σmax超過顆粒在一定粒級下的強度時,即產生破壞,據此計算出了不同沖擊速度下,球與球、球與平板相撞時的σmax/Z值。并對玻璃球和石灰石進行的高速沖擊粉碎試驗證明:從能耗的角度來說,不同的物料以及不同粒度的同一物料都存在著一個最優的沖擊速度,使粉碎的能耗最低。當速度大于該值時,能得到更細的產品,但能量利用率降低。


可以借用分子論中自由平均行程來表示顆粒間的平均距離:



      式中,λ——顆粒間的平均距離;(1-ε)——固體容積濃度。

      一般認為λ越小,碰撞幾率越大。當顆粒的減速路程大于其λ時,顆粒才能碰撞,否則,顆粒未能相撞已停止運動。因此氣流粉碎實際研究中,主要間接地從加料速度與粉碎效果的關系上,摸索顆粒的容積濃度的大小,保持比較理想的顆粒碰撞幾率,同時不因顆粒容積濃度太大而影響顆粒在氣流中的加速。


      研究人員考慮了單向流動和顆粒在靜止氣體中的減速,對氣流粉碎區進行了分析。規定95%的顆粒與其相反方向運動的顆粒碰撞的區域在噴嘴軸向上的長度為I95:

(1-10)

由式(l-10)計算可知,I95很短。因此,顆粒在粉碎區的碰撞頻率很高,而強烈的碰撞過程必然導致顆粒的減速,所以粉碎區中的顆粒濃度和水力阻力會有很大的提高,與在自由噴射中的μ值相比,其μ值也將提高。


      另外一個重要的問題是氣體對顆粒碰撞過程的影響。為了建立一個模型,研究人員做了如下假設:a 高速氣固流流進靜止的粉碎區;b 高顆粒濃度的區域在粉碎區中心形成,而且假設氣體和固體顆粒在粉碎區的速度都為0;c 在粉碎區入口處,氣體和固體的速度相等,u = us;d.粉碎區的u值與在噴嘴中的u值相等;e顆粒碰撞模型與用于計算噴嘴中氣固流的模型相同。假設噴射流中的顆粒進入粉碎區時未改變方向,通過與粉碎區靜止的顆粒碰撞和靜止氣體流動產生的摩擦而減速。顆粒與顆粒間的碰撞可看作是一個力對顆粒的作用,這個力可進一步認為在自由程內是個常數,可計算為:


       (1-11)

     式中,k——顆粒與顆粒碰撞的復位系數。

如果假設碰撞的顆粒是極好的塑性物料,碰撞的力與粉碎區入口處的摩擦力之比為



     式中,Re——雷諾數,可根據顆粒速度計算,因為顆粒是在靜止氣體中運動。

這個公式在0.5≤Re≤10000范圍內是有效的。

如果物料是極好的彈性材料,則上式中的乘數2必須變為4,即

  


      上述對顆粒沖擊粉碎的探討,有一定的局限性,包含大量缺陷的顆粒破碎遠比理論上建立的力學過程復雜。顆粒粉碎后的粒徑是一個相當復雜的問題。同時,顆粒粉碎的環境不同,顆粒的狀態、性能、設備及工況不同,顆粒的破碎與能耗關系也不同,很難有一個通用的表達式,而且許多參數必須采用實驗的方法進行確定。但在單顆粒的基礎上研究了顆粒的比粉碎能與顆粒碰撞強度的關系,認為顆粒的粉碎粒徑與顆粒自身的一些性能有較大關系,由此給出顆粒粉碎所需碰撞速度的大小,對以沖擊破碎為機理的氣流粉碎而言,有一定的指導作用。若能從微觀角度和顆粒間的相互作用出發,研究顆粒碰撞過程中裂紋的發生、發展和聚集過程,以及顆粒的運動,碰撞受力、能量傳遞等,能更明確顆粒斷裂的本質。


      粉碎過程的能量效率隨顆粒尺寸的減小、粉碎時間的增加、輸入能的增加而減小。粉碎介質的動能用于顆粒的粉碎,表現為顆粒尺寸的減小。從斷裂力學出發,并考慮顆粒強度尺寸效應,在碰撞實驗的基礎上,推導出顆粒粉碎能與顆粒粒徑的關系和顆粒破壞所需求的沖擊速度和顆粒粒徑的關系為





     式中,Es——顆粒粉碎能,J;

      Us——顆粒碰撞速度,m/s;

      Y——顆粒的彈性模量,Pa;

      ν——泊松比;

      S0——單位體積顆粒的抗壓強度,Pa;

      V0——單位體積;

      m——威布爾均勻系數


      此公式注重一定沖擊速度下顆粒內部產生的應力值,而未考慮顆粒的強度隨其尺寸的減小而增大。即使考慮到了顆粒強度的尺寸效應,但實際問題遠非如此簡單,如顆粒碰撞時產生的應力未能達到或超過其強度值,或顆粒碰撞速度未能達到顆粒破壞速度值,情況會變得復雜。當顆粒碰撞后未產生破壞,可能在其內部產生損傷,使下一次碰撞要求速度值相應降低,但降低的值有多少,顆粒連續碰撞下能量如何吸收及多次碰撞的顆粒強度值如何考慮,國內外學者尚未對此給出解釋。


      部分研究人員設計了一個實驗,將顆粒在噴嘴中加速到120m/s到250m/S,然后碰撞到一個靶上,通過測量顆粒碰撞前后的速度來看評估沖擊的能量損失。其采用了二種不同的顆粒速度測量系統,一種在極低的濃度下,可以認為顆粒為單顆粒碰撞靶,采用高速攝影(HSSV)測量速度,顆粒的軌跡采用圖像分析儀分析,第二種在中等到高濃度狀態下,采用二套發射一接收光纖(Veotor)來測試速度。試驗研究了氣流粉碎工作機理、氣流速度、氣固濃度、噴嘴與靶的距離、沖撞靶的材料性質與排列方向影響因素對氣流粉碎的影響。通過實驗得出粉碎速率與顆粒生成新表面速率的經驗關系式:



     式中,R ——粉碎速度,kg/h ;

    df、dp ——進料和產品的平均顆粒直徑;

    m、X、C——與物料相關的經驗常數。

     由于粉碎區域的速度很高,直接測量有一定的困難,以上的研究基本上是理論分析推導和實驗驗證,因此還有許多問題值得進一步探討。

(粉體圈  作者:梧桐)



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