ПЕРЕРАБОТКА СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ В. МАШИНАХ БАРАБАННОГО ТИПА
ДВИЖЕНИЕ СЫНУЧЕГО МАТЕРИАЛА В ГЛАДКОМ ВРАЩАЮЩЕМСЯ БАРАБАНЕ
2Л. КАЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ НРОЦЕССА ДВИЖЕНИЯ СЫНУЧЕГО МАТЕРИАЛА
При вращении горизонтального или наклоненного под небольшим углом к горизонту барабана, частично заполненного сыпучим материалом, в его поперечном сечении можно наблюдать следующие режимы движения материала [1, 2, 3]:
- движение с обрушением, при котором периодически происходит перераспределение материала из положения с открытой поверхностью ЛщДо (рис. 2.1, а) в положение AgBg,
- циркуляционное движение, при котором материал образует замкнутый циркуляционный контур (рис. 2.1, б), при этом часть материала движется либо по открытой поверхности искривленного сегмента, либо находится в полете (на рис. 2.1, ^показано пунктиром);
- закритический режим движения, при котором весь материал вращается вместе с барабаном.
Возможно также движение с колебаниями, при котором сегмент материала, вращаясь вместе с барабаном, периодически поднимается на некоторую высоту, а затем перемещается вниз, проскальзывая относительно обечайки барабана. Данный режим возможен при малых угловых скоростях вращения барабана, малом заполнении барабана материалом
|
Рис. 2.1. Схемы движения: а - с обрушениями; б— циркуляционного и когда коэффициент трения частиц о внутреннюю поверхность барабана меньше коэффициента трения между частицами. При промышленной эксплуатации барабанов этот режим используется редко. Движение с обрушением также наблюдается довольно редко, в основном в медленно вращающихся печах. На практике наиболее часто используется циркуляционное движение, поэтому рассмотрим более подробно именно этот режим. Обычно данный режим движения устойчиво существует при угловых скоростях вращения барабана (0,1...0,6) С0кР, где сЩр - критическая угловая скорость, при которой частица начинает вращаться вместе с обечайкой барабана. Для определения численного значения сокр рассмотрим условия равновесия отдельной частицы в поперечном сечении гладкого вращающегося барабана в точках 1и ТДсм. рис. 2.1, б): - для точки L |
mg - f^nmlvR=Q => юкр = ;
- для точки Р
mg-nxi)lpR=0 => ю =М,
V JV
где т - масса частицы; g - ускорение свободного падения; /ф - коэффициент трения частицы о внутреннюю поверхность барабана; R - расстояние от оси вращения барабана до центра тяжести частицы диаметром с/(поскольку R » б значение R принимают равным внутреннему радиусу барабана).
Если степень заполнения барабана материалом равна В,, то угловая скорость вращения барабана, при которой весь материал будет вращаться вместе с ним, определяется по следующим формулам:
|
|
где fjp. м - коэффициент внутреннего трения материала.
Очевидно, что с теоретической точки зрения численное значение критической скорости вращения будет равно большему из значений, полученных по приведенным выше формулам. На практике используют более простую формулу: сокр = yjg/R.
|
У
Рис. 2.2. Схема к определению параметров движепия сыпучего материала |
При циркуляционном движении в поперечном сечении барабана (рис. 2.2) весь материал можно разделить на поднимающийся (зона АСВМ) и скатывающийся (зона ACBN) слои. Линия АС В - граница раздела слоев. Точка С - центр циркуляции, вокруг которого сыпучий материал движется по замкнутому контуру. На участке А С происходит переход частиц из поднимающегося слоя в скатывающийся, а на участке СВ, наоборот, из скатывающегося в поднимающийся. В поднимающемся слое частицы движутся по концентрическим окружностям с центром на оси вращения барабана и с угловыми скоростями, равными угловой скорости вращения барабана.
Исследования движения сыпучего материала в поперечном сечении гладкого вращающегося барабана проводились на лабораторной установке (рис. 2.3). Установка включает барабан, состоящий из прозрачного диска У, обечайки 3 и металлического диска 4, соединенного с приводом 5. Перед барабаном установлен прозрачный щит 7, на котором нанесена угловая шкала 6 и установлена подвижная линейка 7. Наличие прозрачного диска 2 позволило не только осуществить визуальное наблюдение за процессом движения, но и проводить фото - и киносъемку.
|
Рис. 2.3. Схема лабораторпой устаповки |
Качественный анализ процесса движения сыпучего материала в поперечном сечении гладкого вращающегося барабана позволяет сделать следующие выводы:
- после прекращения вращения барабана сыпучий материал принимает форму сегмента, причем открытая поверхность наклонена к горизонту под углом трения движения;
- переход сыпучего материала от покоя к движению и наоборот определяется равновесием отдельных частиц на открытой поверхности сегмента материала;
- материал образует замкнутый поток вокруг центра циркуляции и состоит из поднимающегося и скатывающегося слоев;
- граница раздела слоев несимметрична относительно центра циркуляции, причем с увеличением угловой скорости вращения барабана верхний участок границы укорачивается, а нижний - удлиняется, заметно искривляясь при этом;
- с увеличением угловой скорости вращения объем материала, находящегося в поднимающемся слое, уменьшается, а высота подъема его центра тяжести увеличивается.
Последний вывод послужил основанием для выдвижения гипотезы о постоянстве потенциальной энергии материала, находящегося в поднимающемся слое, при наличии установившегося режима движения [4], что позволило предложить энергетический метод описания движения сыпучего материала во вращающемся барабане.
Одной из основных задач при проектировании машин и аппаратов непрерывного действия является расчет распределения сыпучего материала по объему барабана и времени его пребывания в барабане. Экспериментально установлено [5], что при одинаковой производительности и скорости вращения степень заполнения барабана материалом в поперечных сечениях, равноудаленных от разгрузочного конца барабана, в барабанах разной длины практически одинакова, т. е. профиль сыпучего материала во вращающемся барабане формируется, начиная с разгрузочного конца. Установлено также, что поверхность сыпучего материала выпуклая, т. е. по мере удаления от разгрузочного конца барабана увеличение степени заполнения барабана материалом становится меньше.
Движение частиц в скатывающемся слое осуществляется по линии максимального ската, которая в общем случае зависит от угла наклона оси барабана к горизонту и распределения сыпучего материала по объему барабана. Следует отметить, что по толщине скатывающегося слоя положение линии максимального ската изменяется.
Расчет распределения сыпучего материала по объему барабана заключается в следующем. Барабан по длине разбивают на участки и последовательно, начиная от разгрузочного конца барабана, исходя из равенства производительностей, определяют степень заполнения барабана материалом на каждом участке.
