Исследование кинетики процессов перемешивания и разделения частиц в режиме сдвиговых пластических деформаций зернистых сред. Анализ метода определения кинетического коэффициента сегрегации при сдвиге крупитчатого круги в режиме пластических изменений.
Аннотация к работе
Разработана новая экспериментальная установка (конвейерная сдвиговая ячейка) для исследования эффектов взаимодействия частиц при сдвиговом пластическом течении зернистой среды и предложен метод определения с ее использованием коэффициента сегрегации - константы, позволяющей прогнозировать скорость процесса с учетом свойств частиц и параметров течения. Установлена возможность математического описания процесса сегрегации частиц при сдвиговой пластической деформации зернистой среды на базе механизма сдвигового поточного разделения, который ранее использовался только для описания процесса при быстром сдвиговом течении зернистого материала. Получена расчетная зависимость, позволяющая вычислять скорость проницания (погружения) одиночных мелких и (всплытия) одиночных крупных частиц при сдвиговом течении зернистой среды, а также величину потока сегрегации в смеси зернистых материалов с использованием единой кинетической характеристики с учетом физико-механических свойств частиц и параметров потока. Разработаны методика экспериментального исследования эффектов взаимодействия частиц и их математическое описание, которые позволяют проводить теоретически обоснованную оценку склонности к сегрегации зернистых материалов при их сдвиговых пластических деформациях через соотношение относительных скоростей движения неоднородных частиц в направлениях сегрегирования и сдвига. Согласно этой модели поток сегрегации пропорционален параметру неоднородности зернистой среды (движущей силы процесса), который определяется как избыточный момент сил тяжести, трения и ударных импульсов, действующих на контрольную частицу, по отношению к моменту аналогичных сил, действующих на частицу в условно однородной среде.
Список литературы
Разработана экспериментальная установка (конвейерная ячейка сдвига) и методика исследования, адаптированные для изучения параметров течения и процессов перемешивания и сегрегации частиц при сдвиговых пластических деформациях зернистых материалов. При исследовании динамики сдвиговых потоков обнаружена зависимость порозности от скорости сдвига, существенно влияющая на кинетику процессов перемешивания и сегрегации.
Проведен анализ механизма взаимодействий сферических однородных частиц при сдвиге зернистой среды в режиме пластических деформаций, на основании которого предложен метод прогнозирования коэффициента квазидиффузионного перемешивания.
Методами физического и математического моделирования проведены исследования динамики процесса перемешивания частиц при сдвиговой пластической деформации зернистых материалов, которые свидетельствуют об адекватности предложенной расчетной зависимости для определения коэффициента перемешивания.
Предложено новое уравнение кинетики сегрегации при сдвиговой пластической деформации зернистой среды, позволяющее проводить анализ кинетических характеристик процесса с позиции общекинетических закономерностей процессов химических технологий.
Предложены методы определения кинетических характеристик (коэффициента сегрегации и движущей силы) процесса сегрегации. Установлено, что коэффициент сегрегации для сферических частиц в исследуемом диапазоне соотношения их размеров (0,5…2,0) и скорости сдвига среды является константой, что позволяет прогнозировать не только величину потока сегрегации, но и скорость перемещения как крупных, так и мелких одиночных частиц.
Установлена возможность математического описания процесса сегрегации частиц при сдвиговой пластической деформации зернистой среды на базе механизма сдвигового поточного разделения, который ранее использовался только для описания процесса при быстром сдвиговом течении зернистого материала.
Предложенная методика экспериментального определения коэффициента сегрегации в совокупности с разработанным математическим описанием кинетики перемешивания и сегрегации частиц при их сдвиговом пластическом течении позволяют впервые детерминировано учесть названные эффекты при технологическом расчете процессов и оборудования для переработки зернистых материалов с целью достижения требуемых технико - экономических показателей.
Предложенные в работе зависимость для расчета кинетики и метод определения кинетических характеристик сегрегации приняты к использованию ОАО "Корпорация Росхимзащита" и ГНУ ВИИТИН при разработке смесителей, сепараторов, емкостного и транспортирующего оборудования для сыпучих материалов и оценке их склонности к сегрегации. Экспериментальная установка и разработанные методики исследования эффектов взаимодействия частиц при сдвиге внедрены в учебный процесс и используются при подготовке инженеров и магистров по специальностям 240801 - Машины и аппараты химических производств и 260601 - Машины и аппараты пищевых производств.
Основные обозначения
- безразмерный геометрический параметр; - концентрация контрольных частиц, ; - средний диаметр частиц, ; - диаметр контрольной частицы, ; - коэффициент квазидиффузии, ; - высота слоя материала в желобе, ; - коэффициент сегрегации; - относительная величина избыточного момента сил, - движущая сила процесса сегрегации, ; - среднее расстояние между частицами, ; - средняя скорость движения частиц в направлении сдвига, ; - относительная скорость взаимодействующих частиц, ; - скорость проницания, ; - скорость движения ленты сдвиговой ячейки, ; - длина участка канала, на котором вводятся контрольные частицы, ; - декартовы координаты; - угол наклона сдвиговой ячейки к горизонту, град.; - порозность среды, ; - насыпная плотность материала, ; - время, ;
Индексы: - относящийся к частицам среды и контрольной частице, соответственно; - номер элементарного слоя взаимодействующих частиц; - начальные параметры.
Основное содержание диссертации изложено в следующих работах
1. Борщев В.Я, Деев Г.А, Пучнин С.А, Шубин Р.А. Взаимодействие частиц при сдвиговых деформациях в зернистой среде. // Труды ТГТУ. Тамбов: Изд - во ТГТУ, 2001. Вып. 13. С. 7 - 10.
2. Борщев В.Я., Шубин Р.А., Уколов А.А. Исследование поведения одиночных частиц при сдвиговых деформациях в зернистой среде. // Прогрессивные технологии развития: Сборник научных статей по материалам научно-практической конференции. Тамбов, 2004. С.171 - 173.
3. Борщев В.Я., Шубин Р.А., Уколов А.А. Перемещение мелких и крупных одиночных частиц в зернистой среде при умеренных скоростях. / Труды ТГТУ. Тамбов: Изд - во ТГТУ, 2005. Вып. 13. С. 7 - 11.
4. Борщев В.Я., Долгунин В.Н., Шубин Р.А. Анализ взаимодействия частиц зернистой среды в конвейерной сдвиговой ячейке. // Математические методы в технике и технологиях ММТТ - 18. Сборник научных трудов по материалам XVIII международной научной конференции. Москва, 2005. Т. 3. С.168 - 170.
5. Долгунин В.Н., Борщев В.Я., Шубин Р.А. Сдвиговая ячейка для определения эффектов сегрегации и перемешивания частиц в сдвиговом потоке зернистого материала. / Вестник ТГТУ. 2006. Т. 12. № 3А. С. 695 - 699.
6. Шубин Р.А., Березкин А.С. Исследование движения неоднородных частиц в зернистой среде при сдвиговых деформациях. / Сборник статей магистров по материалам научной конференции 15 - 17 февраля 2005 года. Тамбов: ТОГУП «Тамбовполиграфиздат», 2005. Выпуск I. Часть I. С 144.
7. Борщев В.Я., Долгунин В.Н., Шубин Р.А., Уколов Ал-др. А. К вопросу о поведении различных частиц при сдвиговых деформациях в зернистой среде. / Пленарные доклады и краткие тезисы C научной конференции ТГТУ. Тамбов: Изд - во ТГТУ, 2005. С. 34.