Актуальність досліджень. Використання техногенних мінеральних утворень (ТМО) у виробництві високотехнологічної продукції є актуальною, адекватної стратегії поліпшення структури ВВП Росії. В даний час активне впровадження утилізації ТМО обмежена високими вимогами до фракційного складу, медіанного розмірами і дисперсності частинок ТМО. Одним із стримуючих чинників підвищення ефективності утилізації дрібнодисперсних ТМО є недостатнє досконалість техніки та технології і їх класифікації. Жорсткі вимоги класифікації по дисперсії медіанний розмірів тонкодисперсних ТМО обумовлюють необхідність пошуку способів і технічних засобів їх реалізації, які в умовах імовірнісного розподілу фізико-механічних, геометричних, кінематичних параметрів наночастинок можуть ефективно їх реалізовувати. Для забезпечення якісної сировини у виробництві матеріалів з унікальними властивостями необхідна технологія, при якій класифікація по дисперсії медіанного розміру частинок ТМО буде автомодельного, т. е. незалежна від їх фізико-механічних характеристик. Мета досліджень. Графоаналитического моделювання і побудова критеріальних рівнянь інерційної гідровіхревой кінематичної класифікації в киплячому шарі частинок ТМО для створення пристрою її реалізації у вигляді гідровіхревого класифікатора Вентурі. Методи досліджень. Засновані на науково обґрунтованої та експериментально підтвердженої гіпотези про визначальний вплив на траєкторію руху частинок ТМО сил інерційного несталого гідровіхревого процесу їх взаємодії з обертовими краплями рідини в площині киплячого шару по відношенню до сил, що забезпечує рух киплячого шару. При цьому мінімальний діаметр поглинаються гідрофобних частинок залежить від кутової швидкості обертання краплі рідини. Результати досліджень. Побудовано Графоаналітична модель і критерії подібності гідровіхревой інерційної кінематичної класифікації мікро наночастинок ТМО, що дозволяють визначати геометричні параметри і енергетичні характеристики гідровіхревого класифікатора Вентурі, його аератора, положення приймальних бункерів в залежності від потрібної продуктивності і енергетичних характеристик гідровіхревого аератора. Отримано рівняння руху і критеріальні рівняння дрібнодисперсного системи, що містить краплі рідини з інтегрованими в них частинками ТМО в умовах несталого гідродинамічного інерційного надстоксовского руху в процесі класифікації в функції критеріїв Ейлера і Рейнольдаса. Підтверджено залежність діаметра поглинаються частинок компонентів сипучих ТМО від кутової швидкості обертання крапель рідини в процесі гідровіхревой класифікації. Встановлено залежність часу релаксації крапель рідини з інтегрованими в них мікро наночастинками ТМО в процесі гідровіхревой класифікації від їх медіанного розміру. Проведено випробування дослідно-промислового зразка гідровіхревого класифікатора Вентурі ГКВ-280.

Анотація наукової статті з фізики, автор наукової роботи - Угольников Олександр Володимирович, Макаров Володимир Миколайович, Макаров Микола Володимирович, Ліфанов Олександр Вікторович


DIMENSIONLESS EQUATIONS - FUNDAMENTALS OF HYDROVORTEX CLASSIFICATION TECHNOLOGY OF FINELY DISPERSED TECHNOGENIC WASTES

Rationale. The usage of technogenic mineral formations (TMF) in manufacturing of high-tech products is a relevant, adequate strategy for improving the structure of Russia's GDP. Nowadays the active implementation of TMF recycling is limited by the high requirements for fractional composition, median sizes and TMF particles dispersion. One of the limiting factors for improving the efficiency of fine TMF recycling is a weak sufficiency of technique and technology and their classification. Strict classification requirements for the dispersion of median sizes of fine TMF specify the necessity of the search for the methods and technical means of their implementation, which, under the conditions of probability distribution of physical and mechanical, geometric, kinematic parameters of nanoparticles can effectively implement them. To ensure high-quality raw materials in the production of materials with unique properties, it is necessary to find the technology in which the classification by the dispersion of the median size of TMF particles will be self-similar, i.e. independent of their physical and mechanical characteristics. Research goal. Graphical analytic simulation and setting up criterion equations of the inertial hydrovortex kinematic classification in the fluidized bed of TMF particles to create the device for its implementation in the form of a Venturi hydrovortex classifier. Research methods. The methods are based on a scientifically established and experimentally confirmed hypothesis for the decisive influence of forces of the inertial unsteady hydrovortex process on the motion trajectory of TMF particles, their interaction with the rotating liquid droplets in the plane of the boiling bed in relation to the forces driving the boiling bed. Whereby the minimum diameter of absorbed hydrophobic particles depends on the angular velocity of the liquid droplet rotation. Research results. Graphical analytic model and similarity criteria of hydrovortex inertial kinematic classification of TMF microand nanoparticles have been set up making it possible to determine the geometrical parameters and energy characteristics of a hydrovortex Venturi classifier, its aerator, the position of the receiving hoppers depending on the required performance and the energy characteristics of the hydrovortex aerator. Equations of motion and criteria equations of a finely dispersed system containing liquid droplets with TMF particles integrated in them under the conditions of unsteady hydrodynamic inertial suprastock motion in the classification process in terms of Euler and Reynolds numbers have been obtained. The dependence of the absorbed particles diameter of the bulk TMF components on the angular velocity of liquid droplets rotation in the process of hydrovortex classification has been confirmed. The dependence of the relaxation time of liquid droplets with TMF microand nanoparticles integrated in them in the process of hydrovortex classification on their median size has been set up. The tests of the commercial prototype of a hydrovortex Venturi classifier GKV-280 have been carried out.


Область наук:

  • фізика

  • Рік видавництва: 2019


    Журнал: Вісник Кузбасівського державного технічного університету


    Наукова стаття на тему 'критеріальне рівняння - Теоретичні основи ТЕХНОЛОГІЇ ГІДРОВІХРЕВОЙ КЛАСИФІКАЦІЇ дрібнодисперсних ТЕХНОГЕННИХ ВІДХОДІВ'

    Текст наукової роботи на тему «критеріальні рівняння - Теоретичні основи ТЕХНОЛОГІЇ ГІДРОВІХРЕВОЙ КЛАСИФІКАЦІЇ дрібнодисперсних ТЕХНОГЕННИХ ВІДХОДІВ»

    ?Теоретичні основи ПРОЕКТУВАННЯ гірничотехнічної СИСТЕМ

    DOI: 10.26730 / 1999-4125-2019-5-74-83 УДК 622.23.05

    Критеріальні рівняння - Теоретичні основи ТЕХНОЛОГІЇ ГІДРОВІХРЕВОЙ КЛАСИФІКАЦІЇ дрібнодисперсних ТЕХНОГЕННИХ ВІДХОДІВ

    DIMENSIONLESS EQUATIONS - FUNDAMENTALS OF HYDROVORTEX CLASSIFICATION TECHNOLOGY OF FINELY DISPERSED TECHNOGENIC WASTES

    Угольников Олександр Владіміровіч1,

    канд. техн.наук, доцент, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. Alexander V. Ugolnikov 1, C. Sc. in Engineering, Associate Professor,

    Макаров Володимир Ніколаевіч1, доктор техн. наук, професор, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. Vladimir N. Makarov 1, Dr. Sc. in Engineering, Professor Макаров Микола Владіміровіч1, канд. техн. наук, доцент, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Nikolay V. Makarov 1, C. Sc. in Engineering, Associate Professor, Ліфанов Олександр Вікторовіч2, генеральний директор Alexander V. Lifanov 2, general director

    1Уральскій державний гірничий університет, 620144, Росія, м Єкатеринбург, вул. Куйбишева, 30.

    1Ural state Mining University, 30 street Kuibyshev, Yekaterinburg, 620144, Russian Federation 2ООО Науково-Виробничий Комплекс «ОйлГазМаш», 142103, Росія, г. Подольск, вул. Залізнична, будинок 2 Д.

    2OilGasMash Research and Production Complex LLC, 2d street Railway, Podolsk, 142103, Russian Federation

    анотація:

    Актуальність досліджень. Використання техногенних мінеральних утворень (ТМО) у виробництві високотехнологічної продукції є актуальною, адекватної стратегії поліпшення структури ВВП Росії. В даний час активне впровадження утилізації ТМО обмежена високими вимогами до фракційного складу, медіанного розмірами і дисперсності частинок ТМО. Одним із стримуючих чинників підвищення ефективності утилізації дрібнодисперсних ТМО є недостатнє досконалість техніки та технології і їх класифікації. Жорсткі вимоги класифікації по дисперсії медіанний розмірів тонкодисперсних ТМО обумовлюють необхідність пошуку способів і технічних засобів їх реалізації, які в умовах імовірнісного розподілу фізико-механічних, геометричних, кінематичних параметрів наночастинок можуть ефективно їх реализо-вивать. Для забезпечення якісної сировини у виробництві матеріалів з унікальними властивостями необхідна технологія, при якій класифікація по дисперсії медіанного розміру частинок ТМО буде автомодельного, т. Е. Незалежна від їх фізико-механічних характеристик.

    Мета досліджень. Графоаналитического моделювання і побудова критеріальних рівнянь інерційної гідровіхревой кінематичної класифікації в киплячому шарі частинок ТМО для створення пристрою її реалізації у вигляді гідровіхревого класифікатора Вентурі.

    Методи досліджень. Засновані на науково обґрунтованої та експериментально підтвердженої гіпотези про визначальний вплив на траєкторію руху частинок ТМО сил інерційного несталого гідровіхревого процесу їх взаємодії з обертовими краплями рідини в площині киплячого шару по відношенню до сил, що забезпечує рух киплячого шару. При цьому мінімальний

    діаметр поглинаються гідрофобних частинок залежить від кутової швидкості обертання краплі рідини.

    Результати досліджень. Побудовано Графоаналітична модель і критерії подібності гідровіхревой інерційної кінематичної класифікації мікро- і наночастинок ТМО, що дозволяють визначати геометричні параметри і енергетичні характеристики гідровіхревого класифікатора Вентурі, його аератора, положення приймальних бункерів в залежності від потрібної продуктивності і енергетичних характеристик гідровіхревого аератора. Отримано рівняння руху і критеріальні рівняння дрібнодисперсного системи, що містить краплі рідини з інтегрованими в них частинками ТМО в умовах несталого гідродинамічного інерційного надстоксовского руху в процесі класифікації в функції критеріїв Ейлера і Рейнольдаса. Підтверджено залежність діаметра поглинаються частинок компонентів сипучих ТМО від кутової швидкості обертання крапель рідини в процесі гідровіхревой класифікації. Встановлено залежність часу релаксації крапель рідини з інтегрованими в них мікро- і наночастинками ТМО в процесі гідровіхревой класифікації від їх медіанного розміру. Проведено випробування дослідно-промислового зразка гідровіхревого класифікатора Вентурі ГКВ-280.

    Ключові слова: Утилізація, класифікація, гідровіхревая інерційна кінематична коагуляція, труба Вентурі, критерії Рейнольда і Ейлера.

    Abstract:

    Rationale. The usage of technogenic mineral formations (TMF) in manufacturing of high-tech products is a relevant, adequate strategy for improving the structure of Russia's GDP. Nowadays the active implementation of TMF recycling is limited by the high requirements for fractional composition, median sizes and TMF particles dispersion. One of the limiting factors for improving the efficiency offine TMF recycling is a weak sufficiency of technique and technology and their classification. Strict classification requirements for the dispersion of median sizes offine TMF specify the necessity of the search for the methods and technical means of their implementation, which, under the conditions of probability distribution of physical and mechanical, geometric, kinematic parameters of nanoparticles can effectively implement them . To ensure high-quality raw materials in the production of materials with unique properties, it is necessary to find the technology in which the classification by the dispersion of the median size of TMF particles will be self-similar, i.e. independent of their physical and mechanical characteristics.

    Research goal. Graphical analytic simulation and setting up criterion equations of the inertial hydrovortex kinematic classification in the fluidized bed of TMF particles to create the device for its implementation in the form of a Venturi hydrovortex classifier.

    Research methods. The methods are based on a scientifically established and experimentally confirmed hypothesis for the decisive influence offorces of the inertial unsteady hydrovortex process on the motion trajectory of TMF particles, their interaction with the rotating liquid droplets in the plane of the boiling bed in relation to the forces driving the boiling bed. Whereby the minimum diameter of absorbed hydrophobic particles depends on the angular velocity of the liquid droplet rotation.

    Research results. Graphical analytic model and similarity criteria of hydrovortex inertial kinematic classification of TMF micro- and nanoparticles have been set up making it possible to determine the geometrical parameters and energy characteristics of a hydrovortex Venturi classifier, its aerator, the position of the receiving hoppers depending on the required performance and the energy characteristics of the hydrovortex aerator. Equations of motion and criteria equations of a finely dispersed system containing liquid droplets with TMF particles integrated in them under the conditions of unsteady hydrodynamic inertial suprastock motion in the classification process in terms of Euler and Reynolds numbers have been obtained. The dependence of the absorbed particles diameter of the bulk TMF components on the angular velocity of liquid droplets rotation in the process of hydrovortex classification has been confirmed. The dependence of the relaxation time of liquid droplets with TMFmicro-and nanoparticles integrated in them in the process of hydrovortex classification on their median size has been set up. The tests of the commercial prototype of a hydrovortex Venturi classifier GKV-280 have been carried out.

    Keywords: Recycling, classification, hydrovortex inertial kinematic coagulation, Venturi pipe, Reynolds and Euler numbers.

    Вступ. Впровадження технології утилізації, т. Е. Використання техногенних мінеральних утворень (ТМО) у виробництві високотехнологічної продукції сприяє підвищенню конкурентоспроможності економіки Росії. Однак утилізація дрібнодисперсних ТМО обмежена недосконалістю техніки та технології і їх

    класифікації, можливістю формування вузького діапазону вловлюються фракцій мікро- і наночастинок [1-3].

    Застосування нанорозмірних частинок в якості модифікуючих добавок дозволяє отримувати матеріали з унікальними властивостями, створювати тугоплавкі дісперсноупрочненние

    композиційні матеріали [4].

    Поворотна наносодержащая глиноземний пил, будучи оборотним баластом, масова частка якого досягає 8-15 млн т / рік від одержуваного глинозему, являє собою високоякісний легуючий елемент у виробництві матеріалів для електронної промисловості [5-9], тому розробка раціональних методів використання глиноземний пилу становить практичний інтерес [8-10].

    Не менш важливим є ринок композитних матеріалів і сплавів, для виробництва яких потрібні легирующие матеріали, до яких також висуваються жорсткі вимоги щодо медіанного розмірами і дисперсії. Однак їх якість безпосередньо залежить від досконалості технологічних переділів підготовки, класифікації вихідної сировини [11, 12].

    Жорсткі вимоги класифікації по дисперсії медіанний розмірів тонкодисперсних ТМО обумовлюють необхідність пошуку способів і технічних засобів, які в умовах імовірнісного розподілу фізико-механічних, геометричних, кінематичних параметрів наночастинок можуть ефективно їх досягати.

    Постановка задачі. Стаття присвячена розробці графоаналітичного моделі і критеріальних рівнянь гідровіхревой інерційної класифікації в киплячому шарі мікро- і наночастинок ТМО і пристрої для її реалізації у вигляді гідровіхревого класифікатора Вентурі.

    Для забезпечення якісної сировини у виробництві матеріалів з унікальними властивостями необхідна технологія, в якій керуючий зовнішній вплив на процес класифікації по дисперсії медіанного розміру буде авт-но, т. Е. Незалежно від імовірнісних характеристик фізико-механічних властивостей ТМО.

    Завдання полягає в розробці способу сепарації частинок ТМО розміром (0,5 - 6) -10-6 м з дисперсією медіанний розмірів ± 10% і ефективністю змісту заданої фракції до 97%, а також у створенні пристроїв гідровіхревой сепарації, при якій класифікація часток в заданому діапазоні розмірів гарантована їх коагуляцією обертовими краплями рідини.

    Селективність класифікації повинна забезпечуватися отриманими за допомогою запропонованої математичної моделі параметрами класифікатора Вентурі, аератора, гідровіхревих форсунок, а також енергетичними характеристиками обертових крапель рідини і «киплячого шару» дрібнодисперсного ТМО.

    Методологія і об'єкт дослідження. Гідровіхревая інерційна класифікація - процес виділення часток заданого медіанного розміру і дисперсії з ТМО, що знаходиться в стані «киплячого шару» шляхом формування траєкторій їх руху до приймального бункера під дією інерційних сил несталого процесу

    гідровіхревого взаємодії з обертовими краплями рідини за період коротше, ніж період часу релаксації.

    Методично рішення задачі розділено на два етапи. На першому етапі отримані критерії подібності гідровіхревой кінематичної інерції і аераційного витання, вивчено гідродинамічний взаємодія крапель рідини і частинок ТМО при великих числах Рейнольдса в режимі усталеного руху з використанням основних положень теорій подібності для отримання залежності коефіцієнта опору до, від критеріїв Рейнольдса і Ейлера [11- 13].

    На другому етапі встановлені основні закономірності зміни отриманих на першому етапі індикаторів подібності їх кореляції з часом релаксації т, і коефіцієнтом опору до, в умовах несталого руху [13,

    14].

    Таким чином, динамічно активна ділянка гідровіхревой коагуляції в класифікаторі Вентурі, що характеризується несталим надстоксовскім режимом течії, в якому сила лобового опору істотно залежить від критеріїв Рейнольдса і Ейлера, може бути представлений математичною моделлю і критеріальними рівняннями з усередненими значеннями параметрів, що описують даний процес.

    На базі відомої моделі кінетичної Гете-рокоагуляціі частинки пилу краплею рідини при Пд = 0 в статті [15] запропонована Графоаналітична модель гідровіхревой ортокінетіческой ге-терокоагуляціі, побудована система рівнів, що описує фізичний процес поглинання твердих часток, що обертаються краплями рідини з участю додаткової енергії приєднаного вихору.

    З використанням запропонованої графоаналитического моделі гідровіхревой інерційної ор-токінетіческой гетерокоагуляціі в статті [16] отримано рівняння для мінімального діаметра поглинається твердою компоненти в системі «рідке-тверде» при обертанні краплі рідини з кутовий швидкістю Пд і ефективного крайового кута змочування в зоні контакту рідкої і твердої фази з урахуванням додаткової енергії, обумовленої обертанням краплі рідини.

    Отримані рівняння використані в даній статті для створення графоаналитического моделі і критеріальних рівнянь гідровіхревой інерційної кінематичної класифікації частинок компонентів ТМО по фракціям із заданою дисперсією і вирази для коефіцієнта її ефективності.

    Рівняння для мінімального діаметра поглинається гидрофобной частки ТМО при гідровіхревой інерційної коагуляції можна представити у вигляді:

    d-

    $ Ж-г

    (Рч-Рг) Вже

    | (Cos в - | - sind • До,

    12

    11

    Мал. 1. Принципова схема гідровіхревого класифікатора Вентурі Fig. 1. A schematic diagram of a hydrovortex Venturi classifier

    Ш-

    c). , (1)

    J чтт.т

    'чштт

    де d4

    - мінімальниі діаметр поглинається твердої частинки в умовах класичної коагуляції при Пд = 0, м; рч, Рг - щільність частки і газу відповідно, кг / м3; Уж, Vr = Уч - швидкість краплі рідини і швидкість газу, що дорівнює швидкості частинки, м / с; 5ж-г - коефіцієнт поверхневого натягу на межі розділу двох середовищ «рідина-газ», Дж / м2; 9 - крайовий кут змочування на межі поділу двох середовищ «рідина-газ», радий;

    d3SИ4в

    До ,,, = -ж чт1П-; рж - щільність краплі рідини,

    8ож-г cos в

    кг / м3.

    За результатами експериментальних досліджень встановлено, що ефективний вплив закрутки на коагуляцію спостерігається при відносній кутової швидкості обертання краплі рідини К0)<ш2 < 0,3.

    Коефіцієнт варіацій медіанного діаметра поглинаються наночастинок компонентів ТМО від кутової швидкості обертання крапель рідини отримаємо у вигляді:

    К * = 48-

    (Рч-Рг ^

    КШ cos в (щ

    К2 |

    ЩЗ)

    бт в | ШЖ. (2)

    З рівняння (2) випливає, що кутова швидкість обертання крапель рідини може бути ефективним параметром в процесі гідровіхревой класифікації гідрофобних частинок ТМО. Відмінною особливістю гідровіхревой класифікації є її висока чутливість до дисперсії медіанного розміру мікрочастинок, т. К. Поділ їх засновано на гідровіхревой коагуляції, при тому, що розмір крапель рідини істотно більше поглинаються

    ними мікрочастинок.

    Для утилізації наночастинок ТМО запропонований гідровіхревой класифікатор Вентурі (див. Рис. 1).

    Гідровіхревой класифікатор Вентурі містить завантажувальний живильник 1, встановлений над колектором 2 класифікатора. У камері змішувача 3 встановлені пориста газорозподільна перегородка 4 і патрубок 5 для подачі стисненого повітря і формування на вході в колектор 2 киплячого шару сипучого матеріалу ТМО. На вході в трубу Вентурі 7 виявлено хонейкомб 6 для вирівнювання швидкості руху частинок. По осі труби Вен-тури встановлений обертовий аератор з гідровіхревимі форсунками 8, а по його периметру розташований колектор класифікації 9 з прийомним бункером 10 збору часток компонентів ТМО по фракціям з дренажним клапаном 11, на виході сепаратора встановлений бункер 12 для відходів.

    ТМО з завантажувального живильника 1 безперервно направляють в змішувальну камеру 3, обмежену газорозподільної газової перегородкою 4. За патрубку 5 під шар ТМО подають стиснений газ.

    Конструктивно гідровіхревой класифікатор Вентурі включає в себе пневмотранспортних трубопроводiв для вертикального переміщення частинок сипких матеріалів ТМО і пристрій для гідровіхревого поділу частинок за фракціями за рахунок інерційної гетерокоагуляціі їх обертовими краплями рідини з труби Вентурі, по осі якої в критичному перетині встановлено аератор з вихровими форсунками, а по периметру встановлено приймальний кільцевої бункер.

    Енергією стисненого газу сипучий матеріал аерують до псевдозрідженому стану і подають через вхідний колектор 2, вирівнюючий хо-нейкомб 6, на вхід в трубу Вентурі 7. Закручені краплі рідини з форсунок аератора 8 змочують частки киплячого шару. Кінетична енергія і швидкість обертання крапель рідини забезпечують гарантовану коагуляцію частинок ТМО з заданим мінімальним діаметром. З метою підвищення ефективності класифікації за рахунок керування впливом сили Магнуса на швидкість вертикального переміщення частинок ТМО, що поглинаються обертовими краплями рідини в класифікаторі Вентурі, використаний обертається з кутовою швидкістю юа аератор.

    Результати досліджень. Для побудови системи рівнянь руху наночастинок компонентів введемо поняття наведених аеродинамічного діаметра і щільності наночастинок і представимо їх у вигляді:

    dy =

    -; ре =

    ч 'рч

    (3)

    9

    5

    d3 + d3 іж + ич

    3

    п

    z А

    Fmi

    'Fa

    1

    Em

    Мал. 2. Дебіт метану (м3 / добу) з пластів по свердловинах А5-А10 Fig. 2. Methane flow rate (m3 / day) from reservoirs in wells А5-А10

    де йж - діаметр краплі рідини, м; ЙЧ - діаметр мікрочастинки ТМО, м.

    Для побудови критеріальних рівнянь гідровіхревой класифікації прийняті індикатори гідровіхревой інерції і аераційного витання часток компонентів ТМО у вигляді:

    рг

    Fr. 3 - ~ - ~ kj

    П FA 2 1 a ^ ри-ргУд

    Vb (4)

    k

    _ -FCl-FMl _

    3

    FA

    Vzi-pz

    4АП (Ри1-Рг)-д

    |si)

    (С2-рг -Уг2

    ш

    'si

    V& | D2), (5)

    де РГ1 = к1-йЕ1рг | - сила опору руху частки компоненти ТМО в гідровіхревом класифікаторі; до, - коефіцієнт опору, -й частки; - наведений аеродинамічний діаметр, -й частки, м; рг - щільність газу, кг / м3; - швидкість, -й частки, м / с; Га, - сила Архімеда, спрямована вниз, діюча на, -у частку, що є аналогом сили тяжіння, Рм = - Рг) в; Га - сила опору

    Стокса, обумовлена ​​в'язкістю повітря і фізичними властивостями компонентів вихідної сировини, ра =; Fдi - сила тиску стисненого

    газу,

    що створює

    кіпящіі

    шар,? Д1 -

    інтегрованої в неї, частинки в площині киплячого шару.

    Вищевказані індикатори задовольняють вимогам критеріїв подібності і визначають інерційні перевантаження частинок компонентів ТМО в площині киплячого шару і в напрямку його переміщення під дією гідродинамічних інерційних сил в частках сили тяжіння [12].

    З огляду на, що гідровіхревие сили інерції несталого руху в площині киплячого шару істотно більше інерційних сил поступального вертикального руху киплячого шару, рівняння для критерію інерційної аерації отримаємо у вигляді:

    7 3

    К7. = - ^--

    1 4а2Е1 (ре1-рг)-д

    Нг |У21 - 1,6 | 103 -Шо-ша- рг |?. ^ (1 +? А)). (6)

    Рівняння руху --частіци при її поглинанні краплею рідини в проекції на вісь 0г в площині розташування гідровіхревих форсунок аератора відповідно до класичним рівнянням Ньютона і з урахуванням рис. 2 запишемо в вигляді [17]:

    - (7)

    (2Сс ^ рг

    V2 | dy

    4 ф

    т,-

    Ссргу2-й21; Гм, - сила Магнуса, напрямок якої визначається кутовою швидкістю обертання аератора, РМ1 =; Сс - коефіцієнт

    сили тиску стисненого газу, що створює киплячий шар діючих на, -у частку; ? Т, - швидкість стисненого газу, що створює киплячий шар, і вертикальна складова швидкості, -ю частки м / с; g - прискорення вільного падіння, м / с2; ф, - коефіцієнт форми частинки в законі Стокса; д - коефіцієнт динамічної в'язкості повітря, кг / мс; ^ -Окружні швидкість руху краплі рідини з

    "-І = р

    • дь гг1

    Рівняння руху, -й частки в проекції на вісь 02 має вигляд:

    т

    dV-

    dt

    - -FAi - Pci + РДС - F,

    Mi

    (8)

    Рівняння (7) ідентично рівняння Бус-сінеска, що описує гидродинамически несталий режим інерційного руху

    краплі рідини [13]:

    Дун% (9)

    dt

    де тч i - тп - k

    2 + 3 (1 _ dzjiPZ-Рг) - _ Вже

    3 + 3 (1 18 (г (ґ

    Рівняння Буссінеска дозволяє визначити

    0

    2

    час релаксації дрібнодисперсного системи, що містить краплю рідини і інтегровану в неї частинку ТМО, і пов'язує його з коефіцієнтом опору до,-.

    З урахуванням рівнянь (4-8) і положення Вени-кова В.А. про подібність складних систем [12] отримаємо критеріальне рівняння гідровіхревой інерційної кінематичної класифікації частинок ТМО у вигляді:

    , _ 2 _ (pzj-pjdxi _ dVri

    Рг-Ч

    dt

    (10)

    kv: -

    2d ^ l (Pzj - Рг)

    (11)

    j da

    де da --.

    de

    Експериментально встановлено, що сила опору зростає істотно нелінійно зі зростанням числа Рейнольдса на ділянці надстоксов-ського руху на відміну від лінійного росту її при числах Яе < 1 і при одночасному зменшенні часу релаксації т, що істотно ускладнює знаходження його фактичної величини, перешкоджаючи тим самим використання класичних рівнянь стоксовского руху при коагуляції [13].

    Оскільки в рівнянні (7) аерогідродинаміки краплі рідини в горизонтальній площині класифікатора Вентурі істотно змінною величиною є коефіцієнт опору газового середовища руху краплі рідини до, встановимо його залежність від фізичних величин, що характеризують гідродинамічний процес інерційного руху краплі рідини під дією прискорення з початковою швидкістю Уо в формі безрозмірного симплекса в умовах усталеного руху.

    Рівняння залежності коефіцієнта до від незалежних змінних у вигляді безрозмірною статечної залежності запишемо у вигляді:

    к1 = С + 0,2 ^ 2, зтв2 | ШЖУ |

    d ^ * (dV ^ * P ^ * Vf *. (12)

    Для визначення індикаторів подібності скористаємося матрицею незалежних розмірностей, ранг якої дорівнює трьом [12].

    З урахуванням однорідної системи лінійних рівнянь, складеної з показників ступенів рівняння (12), матриця індикаторів подібності при-

    мет вид:

    І, г

    Рг + 0,25шЖ * d2 * sin в ш dx Va

    Л1 -2 2 п2 0 0 л3 -2 2

    0

    2

    0

    (13)

    Розкриваючи визначники матриці (13), отримаємо три індикатори подібності з фізичного процесу сталого аерогідродинамічного руху краплі рідини в газовому середовищі при великих числах Рейнольдса:

    _ PJfa + OlSu ^ dlj Sineu ^ d ^ _ 2

    п1 - ,, 2 - ReEu;

    рр

    dVr

    Л? - |

    Pi

    p.vo2

    '-'1Е1 (Рж-Рг)

    - Eu; Л3 -

    P? VOdEi _ Г, 02 "2 - ReE0v рр

    (14)

    Таким чином, рівняння (12) в критеріальною формі набуде вигляду:

    к1 = С ^ (Ії ^ ш1) а |Ещ * | (Яе ^). (15) Чисельні значення коефіцієнта пропорційності С і показники ступеня а, b, с в рівнянні (15) визначаємо з рівняння усталеного руху краплі рідини в газовому середовищі :

    ^ = ЕігРг |У ^. (16) Рівняння, що зв'язує між собою критерії Ейлера, Рейнольдса і коефіцієнт аеродинамічного опору до при русі, краплі рідини в газовому середовищі отримаємо у вигляді: 2Ещ2 -. (17)

    3 ЯеЕШ1 ЯеЕ01

    Після відповідних перетворень рівнянь (15-17) щодо числа Рейнольдса отримаємо рівняння для визначення часу релаксації дисперсної системи «крапля рідини -мікрочастіца ТМО» у вигляді:

    41 9 Ещ ^ Яе ^

    З огляду на, що критерії Рейнольдса і Ейлера функціонально пов'язані між собою, а головне безперервно і істотно змінюються по довжині інерційного пробігу краплі рідини в умовах надстоксовского режиму, розглянемо можливість вирішення завдання за допомогою усереднення кінематичних параметрів. Класична теорія гідродинамічного руху в умовах сталого режиму дозволяє в квадратурі отримувати вираження для часу релаксації крапель рідини і частинок компонентів в залежності від кінематичних параметрів течії. У статті [14] отримано вираз для зміни часу релаксації при великих числах Рейнольдса шляхом осереднення їх значень. З урахуванням вищевказаних даних вираз для критерію Ейлера в умовах несталого гідродинамічного руху на етапі релаксації дисперсної системи «крапля рідини - мікрочастинка ТМО» можна представити у вигляді:

    Eu

    _ 18Resl

    (1 + 0,15 Reif87). (19)

    -2 +2

    Таким чином, з урахуванням даних, наведених в статтях [13, 14], середнє значення критерію Ейлера на ділянці релаксації дисперсної системи «крапля рідини - мікрочастинка ТМО» рідини представимо у вигляді:

    Еісрг = ^ (1 + 0,07Яеоо '™ 7). (20)

    З огляду на співвідношення між критерієм Рейнольдса і коефіцієнтом опору руху дисперсної системи «крапля рідини -мікрочастіца ТМО» в газовому середовищі вираз

    2

    Re

    2

    2

    0

    0

    0

    1

    1

    т, з ^ 1

    0,9

    0,95

    0,8

    1 | У

    | ^ -| 2 •

    | ____ 3

    | ^ • •

    • ->

    0 1 2 3 4 5

    6 йтЛ0'ь, м

    Мал. 3. Залежність середнього часу релаксації краплі рідини з інтегрованою в неї часткою компонента ТМО від медіанного діаметра: 1 - вугілля, 2 - окис кремнію, 3 - окис алюмінію; Re0 = 45 Fig. 3. The dependence of the mean relaxation time of a liquid droplet with a TMF component particle integrated into it on a median diameter: 1 - coal, 2 - silicon oxide, 3 - aluminum oxide; Re0 = 45

    для середнього значення коефіцієнта опору в рівнянні (12) запишемо у вигляді:

    = Ії ~ (1 + 0,07 ЯеЦ ^ 687). (21) Ке01

    Після відповідних перетворень отримаємо вираз для середнього значення часу релаксації дисперсної системи «крапля рідини - мікрочастинка ТМО» у вигляді:

    (22)

    ТХср i = КТ •

    де КТ = 4

    dh,

    (Р11-Рг) (1 + 0,07 ReQfS1

    ) (3 + 3fQ

    , N - коеф-

    фициент впливу наведеного аеродинамічного діаметра мікрочастинок на середній час релаксації.

    З рівняння (22) видно, що середній час релаксації крапель рідини з інтегрованими в них компонентами ТМО є функцією квадрата діаметра дисперсної системи «крапля рідини - мікрочастинка ТМО», що дозволяє використовувати даний факт для розробки технології ефективної класифікації дрібнодисперсних сипучих ТМО.

    Коефіцієнт ефективності гідровіхревой інерційної класифікації, що представляє собою тангенс кута нахилу траєкторії руху частки ТМО по відношенню до площини киплячого шару, т. Е. Ефективність управління траєкторією руху частинок заданого діаметра отримаємо у вигляді:

    кеф = * г№аг =? 0№к = атхЛ&-,

    тангенсом кута нахилу траєкторії руху частинок ТМО при коагуляції їх відповідно в початковій точці траєкторії при г = 0,5йа і крайній точці коагуляції при г = 0,4йв з умовою, що час руху мікрочастинок від форсунки аератора до входу в бункер класифікатора відповідають часу релаксації:

    Ф-Мт'Ч1-0,37

    I V Р1

    * Ефтах = агс1ётах = 6--1-

    3СС РГГ ^ - 2ё1, (ра -рг - 2,4 -103 до - "а | Рг - - 4 | ??? (1 + ^ Ф ДГ -Г" | 0,55 + 0,18 р

    CcPtVadz-d ^ ipzi-pJg- ^ Wtuio ^ ia ^ t-pzid ^ dzHl + ^ f)

    кеф =

    (23)

    З урахуванням рівняння (23) максимальне і мінімальне значення коефіцієнта ефективності гідровіхревой класифікації визначається

    3СС РГГ ^ - 24, (ра - Рг ь - 2,4 -103 »0 -" а | Рг - Р1, | 4 | ??? (1 + ^]

    (24) в

    З аналізу рівняння (23, 24) видно, що при цілеспрямованому виборі швидкості і напрямку обертання аератора можна добитися істотного збільшення значення коефіцієнтів ефективності класифікації, т. Е. При заданій висоті колектора класифікатора Д забезпечити мінімальну дисперсію вловлюється фракції мікрочастинок ТМО.

    Таким чином, запропонований варіант поетапного усереднення значень коефіцієнта опору руху дисперсної системи «крапля рідини - мікрочастинка ТМО» в газовому середовищі і часу її релаксації дозволяє з достатнім ступенем точності використовувати рівняння класичної аерогідродинаміки усталеного руху краплі рідини в діапазоні чисел Рейнольдса до 104 на довжині їх вільного інерційного пробігу для побудови графоаналитического моделі і критеріальних рівнянь інерційної гідровіхревой класифікації.

    У технічному завданні на проектування гідровіхревого класифікатора Вентурі, як правило, вказана продуктивність утилізації по масі сипучих матеріалів ТМО Q, т / год.

    2

    0,6 0,5 '0,4 0,3' 0,2 0,1

    0

    1

    2

    3

    4

    5

    6 Юа, С-

    Мал. 4. Залежність коефіцієнта ефективності гідровіхревой класифікації від кутової швидкості обертання аератора при dm10-6, м: 1 -

    тж = 105; 2 - тж = 106; 3 - тж = 107 Fig. 4. The dependence of the efficiency coefficient of hydrovortex classification on the angular velocity of an aerator rotation by dt10-6, m: 1 - ml = 105; 2 -mi = 106; 3 - mi = 107

    1 2 3 4 5 6 7 8 lg,

    Мал. 5. Залежність коефіцієнта ефективності гідровіхревой класифікації від кутової швидкості обертання крапель рідини 1 -dm = 10-5 м; 2 - dm = 510-6 м; 3 - dm = 10-6м Fig. 5. The dependence of the efficiency coefficient of hydrovortex classification on the angular velocity of liquid droplets rotation 1 - dt = 10-5 m; 2 -dt = 510-6 m; 3 - dt = 10-6 m

    Діаметр класифікатора Вентурі dB при заданій його продуктивності визначаємо за формулою:

    d "= 2

    KPQ uPhvz

    (25)

    де Кр - коефіцієнт щільності киплячого шару часток ТМО, Кп = -; РКС - щільність частинок

    Р Ркс

    ТМО в стані киплячого шару.

    Швидкість крапель рідини в процесі класифікації на виході з гідровіхревих форсунок аератора, що характеризує енергетичні параметри, визначаємо за формулою:

    de-da

    V = 3,2

    Т ^ СР 3 8ж-г cos в

    2 PzdSn

    (26)

    Кутова швидкість обертання крапель рідини і коефіцієнт варіації медіанного діаметра поглинаються мікрочастинок ТМО, що визначають необхідну фракцію в процесі класифікації, знаходимо за формулами (1, 2).

    На рис. 3-5 представлені результати експериментальних досліджень і їх порівняння з розрахунками за запропонованою математичної моделі.

    Істотна зміна часу релаксації як за результатами експерименту, так і за розрахунковими даними, наведеними на рис. 3, дозволяє досягати високої ефективності класифікації при заданій дисперсії медіанний розмірів мікрочастинок ТМО внаслідок істотного впливу зміни номінального діаметра їх на інерційні сили, що визначають траєкторію руху дисперсної системи «крапля рідини -мікрочастіца ТМО».

    З аналізів рис. 4, 5 видно істотний вплив кутової швидкості краплі рідини і аератора на коефіцієнт ефективності коагуляції, т. Е. Форму траєкторії руху мікрочастинок заданого діаметра по відношенню до площини киплячого шару і, відповідно, до положення колектора класифікації.

    Результати випробувань дослідного зразка гідровіхревого класифікатора Вентурі ГКВ-280, проведеного в аттестованной лабораторії Сухоложской машинобудівної компанії «СМК-ТЕСТ», підтвердили достатню для інженерних розрахунків збіжність із запропонованою математичною моделлю.

    Висновок. Результати виконаної роботи дозволяють зробити наукові і практичні висновки:

    1. Час релаксації крапель рідини з інтегрованими в них мікро- і наночастинками ТМО в процесі гідровіхревой класифікації, а отже, і інерційні сили несталого взаємодії з обертовими краплями рідини залежать від медіанного діаметра, що є основним визначальним фактором досягнення високої ефективності класифікації.

    2. Кутова швидкість обертання аератора гідровіхревого класифікатора має суттєвий вплив на траєкторію руху мікрочастинок по відношенню до колектора, сприяючи підвищенню ефективності класифікації.

    3. Геометричні параметри гідровіхревого класифікатора Вентурі визначаються потрібної продуктивністю і енергетичними характеристиками його аератора.

    5. Гідровіхревая класифікація дозволяє сепарувати мікрочастинки ТМО в діапазоні від 0,5 - 5-10-6 м з дисперсією медіанний розмірів не більше 20%.

    3

    2

    1

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Davydov S.Ya. Utilization of Alumina Calcining Furnace Dust Containing Nanoparticles / S.Ya. Davydov R.A. Apakashev V.N. Korukov // Refractories and Industrial Ceramics. - 2014. - Vol. 55, № 4. - Р. 291-294.

    2. Макаров В.М. Теоретичні основи підвищення ефективності вентиляції в технологічних процесах на промислових підприємствах / В. М. Макаров, С. Я. Давидов // Нові вогнетриви. - 2015. -№ 2. - C. 59-63.

    3. Wu D., Yin K., Yin Q., Zhang X., Cheng J., Ge D., Zhang P. Reverse circulation drilling method based on a supersonic nozzle for dust control // applied sciences (switzerland). - 2017. - Т. 7, № 1. - P. 5-20. DOI: 10.3390 / APP7010005 /.

    4. Гордєєв Ю.І. Вплив добавок, легуючих керамічних наночасток на структурні параметри і властивості твердих сплавів / Ю.І. Гордєєв, А.К. Абкарян, Г.М. Зеер [и др.] // Вісник Сибірського державного аерокосмічного університету ім. академіка М.Ф. Решетнева. - 2013. - № 3. - С. 174-181.

    5. Justification of environmental technologies and means for dust control of tailing dumps surfaces of hydro-metallurgical production and concentrating plants /V.I. Lyashenko, A. Gurin, F.F. Topolniy, N.A. Taran // metallurgical and mining industry. - 2017 - № 4 - Р. 8-17.

    6. Makarov V.N., Davydov S.Ya. Theoretical basis for increasing ventilation efficiency in technological processes at industrial enterprises // Refractories and Industrial Ceramics. - 2015. - Vol. 56, iss. 1. - P. 103-106. DOI: 10.1007 / s11148-015-9791-7.

    7. S.Ya. Davydov R.A. Apakashev V.N. Korukov / Capturing Nanoparticles in Alumina Production. Refractories and Industrial Ceramics. - 2016. - Vol. 57, № 1. - Р. 9-12.

    8. Давидов С.Я., Апакашев Р. А., Корюков В.Н. уловлювання нанорозмірною фракції частинок глиноземного виробництва. нові вогнетриви. 2016. №2. С. 12-15.

    9. Novakovskiy N.S., Bautin S.P. Numerical simulation of shock-free strong compression of 1d gas layer // Journal of Physics: Conference Series. - 2017 - Vol. 894, № 1 - P. 12067 DOI: 10.1088 / 1742-6596 / 894/1/012067.

    10. N.I. Alymenko, А.А. Kamenskikh, A.V. Nikolaev, A.I. Petrov. Numerical modeling of heat and mass transfer during hot and cool air mixing in a supplyshaft in underground mine // Eurasian mining. 2016. № 2.P. 45 -47.

    11. Evaluation of gravitational force effect on balancung processes in liquid-type autobalancing devices. Pashkov E.N., Martyushev N.V., Masson I.A. Advanced Materials Research. 2014. Т. 1040. С. 642-645.

    12. Віників В.А. Теорія подібності і моделювання стосовно завдань електроенергетики. Підручник для вузів. 4-е изд. - М .: Либроком, - 2014. - 439 с.

    13. Фролов А.В., Телегін В.А., Сечкерев Ю.А. Основи гідрознепилення. Безпека життєдіяльності. - 2007. - № 10. - С. 1-24.

    14. Фукс Н.А. Механіка аерозолів. -М .: Вид-во АН СРСР, 1955. -352 с.

    15. Макаров В.М., Макаров Н.В., Потапов В.В., Горшкова Е.М. Перспективний спосіб підвищення ефективності високонапірного гідрознепилення. Вісник ЗабГУ. 2018. Т. 24 № 5. С. 13-20.

    16. Макаров В.М., Косарев Н.П., Макаров Н.В., Угольников А.В., Ліфанов А.В. Ефективна локалізація вибухів вугільного пилу з використанням гідровіхревой коагуляції. Вісник пермського національного дослідницького політехнічного університету. Геологія. Нафтогазова та гірнича справа № 2, Т. 18, 2018. С. 178-189.

    17. Лойцянський Л.Г. Механіка рідини і газу. Підручник для вузів. - 7-е изд., Испр. - М .: Дрофа, 2003. - 840 с.

    REFERENCES

    1. Davydov S.Ya. Utilization of Alumina Calcining Furnace Dust Containing Nanoparticles / S.Ya. Davydov R.A. Apakashev VN. Korukov // Refractories and Industrial Ceramics. - 2014. - Vol. 55, № 4. - Р. 291-294.

    2. Makarov V.N., Davydov S.Y. Theoretical basis for the in-process ventilation systems efficiency increasing at industrial enterprises. Novye ogneupory (new refractories). - 2015. - № 2. - P. 59-63.

    3. Wu D., Yin K., Yin Q., Zhang X., Cheng J., Ge D., Zhang P. Reverse circulation drilling method based on a supersonic nozzle for dust control // applied sciences (switzerland). - 2017. - Т. 7, № 1. - P. 5-20. DOI: 10.3390 / APP7010005 /.

    4. Gordeev Yu.I., Effect of alloying additives of the ceramic nanoparticles on the structural parameters and properties of hard alloys / Yu. I. Gordeev, A. K. Abkaryan, G. M. Zeer, A. A. Lepeshev // Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev. - 2013. - № 3. - С. 174-181.

    5. Justification of environmental technologies and means for dust control of tailing dumps surfaces of hydro-metallurgical production and concentrating plants /V.I. Lyashenko, A. Gurin, F.F. Topolniy, N.A. Taran // metallurgical and mining industry. - 2017 - № 4 - Р. 8-17.

    6. Makarov V.N., Davydov S.Ya. Theoretical basis for increasing ventilation efficiency in technological processes at industrial enterprises // Refractories and Industrial Ceramics. - 2015. - Vol. 56, iss. 1. - P. 103-106. DOI: 10.1007 / s11148-015-9791-7.

    7. S.Ya. Davydov R.A. Apakashev V.N. Korukov / Capturing Nanoparticles in Alumina Production. Refractories and Industrial Ceramics. - 2016. - Vol. 57, № 1. - P. 9-12.

    8. Davydov S.Y., Apakashev R.A., Koryukov V.N. The collection of nanoscale particles in alumina production. Novye ogneupory (new refractories). - 2016. - №2. - P. 12-15.

    9. Novakovskiy N.S., Bautin S.P. Numerical simulation of shock-free strong compression of 1d gas layer // Journal of Physics: Conference Series. - 2017 - Vol. 894, № 1 - P. 12067 DOI: 10.1088 / 1742-6596 / 894/1/012067.

    10. N.I. Alymenko, A. A. Kamenskikh, A.V. Nikolaev, A.I. Petrov. Numerical modeling of heat and mass transfer during hot and cool air mixing in a supplyshaft in underground mine // Eurasian mining. 2016. № 2.P. 45 -47.

    11. Evaluation of gravitational force effect on balancung processes in liquid-type autobalancing devices. Pashkov E.N., Martyushev N.V., Masson I.A. Advanced Materials Research. 2014. T. 1040. C. 642-645.

    12. Venikov V.A. The theory of similarity and modeling as applied to the problems of electric power. Textbook for high schools. 4th ed. - M.: Librocom, - 2014. - 439 p.

    13. Frolov A.V., Telegin V. A., Sechkerev Yu. A. Basics of dedusting. Life safety. - 2007. - № 10. - P. 124.

    14. Fuchs N.A. The mechanics of aerosols. - M .: Publishing House of the Academy of Sciences of the USSR, - 1955. - 352 p.

    15. Makarov V.N., Makarov N.V., Potapov V.V., Gorshkova E.M. A promising method of high-pressure hydro-dedusting efficiency increasing // Transbaikal State University Journal, 2018.vol. 24 № 5. P. 13-20.

    16. Makarov V.N., Kosarev N.P., Makarov N.V., Ugolnikov A.V., Lifanov A.V. Effective Localization of coal dust explosions using hydro vortex coagulation. Perm Journal of Petroleum and Mining Engineering, 2018, vol.18, № 2, P.178-189.

    17. Loytsyanskiy L G. Mekhanika zhidkosti i gaza. Textbook for high schools. - 7th ed., Rev. - M .: Bustard, 2003. - 840 p.

    Надійшло до редакції 08.08.2019 Received 08 August 2019


    Ключові слова: УТИЛІЗАЦІЯ /КЛАСИФІКАЦІЯ /ГІДРОВІХРЕВАЯ інерційні кінематичних КОАГУЛЯЦІЯ /ТРУБА ВЕНТУРІ /КРИТЕРІЇ Рейнольді І Ейлера /RECYCLING /CLASSIFICATION /HYDROVORTEX INERTIAL KINEMATIC COAGULATION /VENTURI PIPE /REYNOLDS AND EULER NUMBERS

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити