Промтов М.А. - Машины и аппараты с импульсными энергетич. воздейств. на обрабат. вещества. Промтов М.А. - Машины и аппараты с импульсными энергетич. воздей. М. А. Промтов машины и аппараты с импульсными энергетическими
 Скачать 2.8 Mb.
|
|
ЛЯЦИЯ ПРЕДСТАВЛЯЕТ СОБОЙ АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ ПРОЦЕСС РЕЗОНАНСНОГО ХАРАКТЕРА И МОЖЕТ ТАКЖЕ ЯВЛЯТЬСЯ ИСТОЧНИКОМ ЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ. ТА- КОЙ МЕХАНИЗМ НАЗЫВАЮТ РЕЗОНАНСНЫМ. В УЛЬТРАЗВУКОВОМ ДИАПАЗОНЕ ОС- ЦИЛЛОГРАММЫ ДАВЛЕНИЯ БЛИЗКИ К ГАРМОНИЧЕСКИМ, ЧТО СВИДЕТЕЛЬСТВУЕТ О РЕЗОНАНСНОМ МЕХАНИЗМЕ ГЕНЕРАЦИИ ЗВУКА. НА НИЗКИХ ЗВУКОВЫХ И ИНФРА- ЗВУКОВЫХ ЧАСТОТАХ ПОЛУЧЕНЫ ПИЛООБРАЗНЫЕ ОСЦИЛЛОГРАММЫ ДАВЛЕНИЯ, ХАРАКТЕРНЫЕ ДЛЯ РЕЛАКСАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ. ГЕНЕРАТОРЫ ГАРТМАНА ИМЕЮТ ЗНАЧИТЕЛЬНО БОЛЬШУЮ ПО СРАВНЕНИЮ СО СВИСТКАМИ МОЩНОСТЬ ИЗЛУЧЕНИЯ И НИЗКИЙ КПД – 6 %, ОБУСЛОВЛЕННЫЙ НЕ- ОБРАТИМЫМИ ПОТЕРЯМИ ЭНЕРГИИ ПРИ ОБРАЗОВАНИИ ПРЯМОГО СКАЧКА УПЛОТ- НЕНИЯ. РАСЧЕТ ИЗЛУЧАТЕЛЯ ГАРТМАНА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МАКСИМАЛЬНОГО КПД ПРОИЗВОДЯТ СЛЕДУЮЩИМ ОБРАЗОМ. ДИАМЕТР СОПЛА c d В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТРЕ- БУЕМОЙ ЧАСТОТЫ ИЗЛУЧЕНИЯ ОПРЕДЕЛЯЮТ ПО ЭМПИРИЧЕСКОЙ ФОРМУЛЕ f d 5860 c = . (3.16) ПРИ ДИАМЕТРЕ СОПЛА, РАВНОМ ДИАМЕТРУ РЕЗОНАТОРА р d , И ГЛУБИНЕ РЕЗО- НАТОРА h , РАССТОЯНИЕ ОТ СОПЛА ДО ПЕРЕДНЕЙ КРОМКИ РЕЗОНАТОРА l ПОЛУЧА- ЮТ ИЗ ВЫРАЖЕНИЯ , 4 , 0 a l − λ = (3.17) ГДЕ А – ЛИНЕЙНЫЙ РАЗМЕР ОБЛАСТИ НЕУСТОЙЧИВОСТИ. ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ КПД ИЗЛУЧАТЕЛЯ ИСПОЛЬЗУЮТ МОДИФИКАЦИЮ ГЕНЕРАТО- РА ГАРТМАНА, ОТЛИЧАЮЩУЮСЯ КОСЫМ СКАЧКОМ УПЛОТНЕНИЯ. ПО ОСИ ПОТОКА ВВОДЯТ РАССЕКАТЕЛЬ, ИЗМЕНЯЮЩИЙ ГРАНИЧНЫЕ УСЛОВИЯ НА ОСИ И УГОЛ МЕ- ЖДУ ПЛОСКОСТЬЮ СКАЧКА ДАВЛЕНИЯ И ОСЬЮ СТРУИ. ПРИ ЭТОМ УМЕНЬШАЮТСЯ ПЕРЕПАД СКОРОСТЕЙ ДО И ПОСЛЕ СКАЧКА, А СЛЕДОВАТЕЛЬНО, И ПОТЕРИ ЭНЕРГИИ НА ПЕРЕХОДЕ. В РЕЗУЛЬТАТЕ КПД ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ ГАРТМАНА ПРИБЛИЖАЕТСЯ К КПД СВИСТКОВ, Т.Е. СОСТАВЛЯЕТ 18 – 25 % ПРИ ИНТЕНСИВНОСТИ В НЕСКОЛЬКО ДЕСЯТ- КОВ ВАТТ НА КВАДРАТНЫЙ САНТИМЕТР. МАКСИМАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ ДОСТИГА- ЮТ ПРИ СООТНОШЕНИИ 6 , 1 c p = d d ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ НЕКОТОРЫХ КОНСТ- РУКЦИЙ ГАЗОСТРУЙНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ ГАРТМАНОВСКОГО ТИПА ПРИВЕДЕНЫ НА РИС. 3.23. ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОВЫШЕННЫХ ИНТЕНСИВНОСТЕЙ ИЗЛУЧЕНИЯ ИСПОЛЬ- ЗУЮТ БАТАРЕИ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ, ОБЪЕДИНЕННЫЕ ОБЩИМ РУПОРОМ, КОТОРЫЕ ИНО- ГДА НАЗЫВАЮТ СТАТИЧЕСКИМИ СИРЕНАМИ [3]. В клапанных генераторах основными элементами являются сопло и мембранный клапан, закры- вающий выход сопла [17]. Если мембрана закреплена по краю, то газ может выходить в центральной области сопла, если в центре, то газ выходит через периферию сопла. Работа таких генераторов заключается в следующем: газ под давлением подается в сопло, под действием газа незакрепленная часть мембраны отодвигается от торца сопла, и часть газа проскаки- вает наружу. Вследствие кратковременного увеличения скорости газа от нуля до некоторой величи- ны статическое давление газа понижается. Это вызывает возвращение клапана под действием внешнего давления и силы упругости растянутой мембраны в исходное состояние и падение скоро- сти (возрастание давления) – процесс повторяется. Мембрана совершает колебания с частотой, со- ответствующей одной из возможных собственных мод (номер моды зависит от способа закрепления и способа возбуждения мембраны). Если мембрана жесткая, то ее можно не закреплять по краям или в центре, она может свободно лежать в некоторых ограничителях. На низких частотах возмож- но применение металлических мембран, на высоких частотах их применение нецелесообразно из-за быстрой поломки. Для генерации высокочастотных колебаний необходимо использовать в качестве материала для мембраны полимерную пленку. Всем генераторам дипольного типа свойственен следующий недостаток: если характерный размер генератора существенно меньше длины волны генерируемого звука, то возникает акустическое корот- кое замыкание, резко снижающее эффективность генератора. Для устранения этого вредного эффекта мембранные генераторы устанавливают в рефлекторах, согласующих рупорах или трубе [17]. ДИНАМИЧЕСКИЕ СИРЕНЫ (РИС. 3.24) СОСТОЯТ ИЗ СТАТОРНОГО ДИСКА 1 И ВРА- ЩАЮЩЕГОСЯ РОТОРНОГО ДИСКА 2 С БОЛЬШИМ КОЛИЧЕСТВОМ ОСЕСИММЕТРИЧНО Рис. 3.24 Динамическая сирена РАСПОЛОЖЕННЫХ ПО ПЕРИФЕРИИ ОТВЕРСТИЙ. ПОСКОЛЬКУ ПОТОК ГАЗА, ПОДАЮ- ЩИЙСЯ В ПАТРУБОК 3 И ПРОДУВАЕМЫЙ ЧЕРЕЗ ОТВЕРСТИЯ, ПЕРИОДИЧЕСКИ ПРЕ- РЫВАЕТСЯ ВРАЩАЮЩИМСЯ РОТОРНЫМ ДИСКОМ, ВОЗНИКАЮТ ПУЛЬСАЦИИ ДАВ- ЛЕНИЯ, СОЗДАЮЩИЕ ИНТЕНСИВНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ЗВУКОВОЙ ВОЛНЫ В РЕЗОНАТОРЕ 4 [3]. ЧАСТОТА ИЗЛУЧАЕМЫХ КОЛЕБАНИЙ ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ СКОРОСТЬЮ ВРАЩЕНИЯ РОТОРА И ЧИСЛОМ ОТВЕРСТИЙ. ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЧАСТОТЫ КОЛЕБАНИЙ ИСПОЛЬЗУЮТ СИРЕНЫ С ДВУМЯ ВРА- ЩАЮЩИМИСЯ РОТОРАМИ. ДИНАМИЧЕСКИЕ СИРЕНЫ ПОЗВОЛЯЮТ СОЗДАТЬ БОЛЬ- ШУЮ АКУСТИЧЕСКУЮ МОЩНОСТЬ (ДО НЕСКОЛЬКИХ КИЛОВАТТ) ПРИ ВЫСОКОМ КПД (ДО 40 %). С ИХ ПОМОЩЬЮ ВОЗМОЖНО В ШИРОКИХ ПРЕДЕЛАХ РЕГУЛИРОВАТЬ ЧАСТОТУ ИЗЛУЧЕНИЯ. ОДНАКО НА ПРАКТИКЕ ДИНАМИЧЕСКИЕ СИРЕНЫ ПОКА НЕ НАШЛИ ШИРОКОГО ПРИМЕНЕНИЯ ИЗ-ЗА СЛОЖНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЛУА- ТАЦИИ. 3.3 ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИМПУЛЬСНОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ Лучшими, с точки зрения механической активации, являются измельчители, реализующие либо локальные высокие давления с истиранием и сдвигом, либо высокоскоростной удар. Конструктив- ное оформление механоактиваторов в ряде случаев совпадает с конструктивным оформлением мельниц тонкого и сверхтонкого помола материалов: центробежно-планетарных, дезинтеграторов, многоступенчатых ударно-отражательных мельниц, струйных мельниц, диспергаторов различного конструктивного оформления [18 – 22]. Все конструкции механоактиваторов можно разбить на три группы [18]. К первой группе отно- сятся активаторы для систем газ – твердое вещество, в которых механоактивация происходит при параллельном тонком измельчении твердой фазы (центробежно-планетарные, дезинтеграторы, цен- тробежные, многоступенчатые, ударно-отражательные и т.д.). Достоинство таких машин – возмож- ность достижения высокой степени измельчения и активации порошков. Наибольшую активацию обеспечивают центробежно-планетарные активаторы-измельчители при сложном характере движе- 4 3 2 1 ния активирующих и измельчающих шаров. Однако в них наблюдается и наибольшая степень за- грязненности активируемых порошков продуктами намола шаров и корпусов машин. Кроме этого, большая напряженность элементов конструкций снижает срок службы этих механизмов и сильно усложняет реализацию процесса активации при средних и больших производительностях по акти- вируемым порошкам. Поэтому в промышленности наиболее часто используются активаторы, реа- лизующие многократный высокоскоростной удар (дезинтеграторы, многоступенчатые, ударно- отражательные, центробежные мельницы), но они предназначены для активации и измельчения мягких и средней твердости материалов, так как при высокоскоростном ударном нагружении твер- дых, абразивных материалов быстро выходят из строя малогабаритные рабочие органы активато- ров. Ко второй группе можно отнести активаторы для систем жидкость – твердое, в которых активизи- руются полимерные и коллоидные субстанции за счет высоких скоростей сдвига при одновремен- ном наложении на касательные сдвиговые напряжения мощных импульсных напряжений при схло- пывании искусственно генерируемых кавитационных пузырьков. В третьей группе объединены механоактиваторы, используемые для абразивных материалов. В таких машинах, работа которых основана на многократном высокоскоростном ударном нагружении в слое активируемого материала, не происходит загрязнения материалов, остаточная кинетическая энергия частиц порошков затрачивается на процесс их истирания в слое и сравнительно просто реа- лизуются комбинированные процессы тепло- и массообмена, смешения, измельчения и классифи- кации, а также химических реакций в системе газ – активируемые в объеме реактора порошки. В мельницах ударного действия материал разрушается высокоскоростным ударом частиц о ра- бочие органы или друг о друга. Преимущество таких мельниц – это компактность, относительно малая металлоемкость, возможность получения тонкодисперсных порошков при относительно ма- лых энергозатратах, высокая степень механохимической активации продуктов помола. Общим не- достатком мельниц этой группы является быстрый абразивный износ мелющих органов, что огра- ничивает межремонтный ресурс, а в ряде случаев делает их неприменимыми, если в продуктах из- мельчения недопустимо содержание намола металла [18]. По способу подвода энергии к материалу эти мельницы можно разделить на механические и пнев- матические (струйные). Известно большое количество механических ударных мельниц, но наиболее употребительны дезинтеграторы, дисмембраторы, ударно-отражательные мельницы в малотоннажных технологиях и молотковые мельни- цы – в крупнотоннажных. Дезинтегратор состоит из двух входящих друг в друга роторов, представляющих собой диски с за- крепленными в них размольными элементами в виде пальцев, вращающихся в противоположные сторо- ны (рис. 3.25). В дисмембраторе (пальцевом измельчителе) вращается один диск, а второй диск непод- вижный (рис. 3.26). Различают дисмембраторы с вертикальным и горизонтальным валом ротора. Ис- ходный продукт Рис. 3.25. Схема дезинтегратора РИС. 3.26 СХЕМА ДИСМЕМБРАТОРА непрерывно подается через воронку к центру дисков, где под действием центробежных сил проходит между пальцами и, ударяясь о них, измельчается. Среди мельниц ударно-отражательного действия большое распространение нашли мельницы с внутренней классификацией. К их достоинствам следует отнести возможность получения очень тонких порошков при относительно невысоких энергозатратах. В качестве примера представлена трехступен- чатая мельница с центробежной классификацией в каждой ступени (рис. 3.27). Мельница состоит из корпуса 1 с загрузочным патрубком исходного материала 2, вала 3 с ротором 4, на котором закреплены диски 5 с ударными элементами 6 разгрузочного патрубка 7. Размалываемый материал через патрубок 2 попадает под ударные элементы 6 в первой ступени и измельчается. Из пространства между дисками первой и второй ступени материал попадает в зону центробежно-противоточной классификации. Мел- кие частицы потоком воздуха, создаваемым вентилятором 8, выносятся через окна 10 ротора 4 и центральное отверстие 9 в патрубке 7 и поступают в готовый продукт, а крупные частицы отбрасыва- ются центробежными силами на ударные элементы 6 второй ступени, и процесс повторяется. Крупные, не разрушенные в последней ступени, частицы по трубе 11 возвращаются на дополнительное измель- чение в первую ступень. Увеличение исходный продукт воздух или газ готовый продукт исходный продукт готовый продукт Рис. 3.27 Схема мельницы с внутренней классификацией окружной скорости ударных элементов по ходу измельчения позволяет повышать скорость нагружения частиц по мере уменьшения их размеров и сохранять тем самым высокую эффективность размола. Этому же сопутствует и вывод мелких частиц из каждой ступени. Молотковые мельницы применяются в средне- и крупнотоннажных производствах для грубого и среднего измельчения малоабразивных материалов: угля, мела, глин, известняка, некоторых видов пла- стмасс. При увеличении окружной скорости по сравнению с обычно применяемыми (40...60 м/с) до 90 м/с и выше, молотковые мельницы можно использовать для измельчения искусственных и натуральных кож, резины и т.п. Они состоят из корпуса 1, защищенного изнутри броневыми плитами, в которых вра- щается ротор, представляющий собой вал 2 с дисками 3, билодержателями 4 и билами 5 (рис. 3.28). Непосредственно на корпусе мельницы уста- навливается центробежный или инерционный сепаратор. Корпус мельницы имеет тангенциальный под- вод для сушильно-транспортирующего агента. Измельчаемый материал поступает в мельницу по спе- циальному желобу или вместе с сушильно-транспортирующим агентом, измельчается билами и выдува- ется в сепаратор, где готовый продукт отделяется и вместе с охлажденным агентом выводится через патрубок 7, а неизмельченный материал по желобу 8 возвращается в мельницу. Крупность готового продукта регулируется изменением угла поворота закручивающих лопаток центробежного сепаратора или угла установки шибера. Мельницы с центробежным сепаратором предназначены для более тонкого помола, с инерционными – более грубого. Рис. 3.28 Схема молотковой мельницы Измельчение в струйных мельницах достигается за счет взаимного соударения частиц, разогнанных до скоростей 100...250 м/с. К их достоинствам следует отнести возможность тонкого и сверхтонкого су- 1 2 3 4 5 6 11 7 8 9 10 1 2 6 4 3 5 7 10 8 хого помола не только при умеренных, но и при повышенных (до 1200 о К) температурах, отсутствие вращающихся деталей, незначительное загрязнение продуктов измельчения «намолом» деталей мель- ницы. Вместе с тем струйные мельницы отличаются относительно большими удельными энергозатра- тами, а также требуют установки после себя громоздкой системы пылеулавливания, поскольку из-за невысоких концентраций измельчаемого материала в транспортирующем газе (около 0,1 кг/кг) рас- ходы газа велики. Из большого разнообразия конструкций струйных мельниц наиболее распространены два типа: противоточные и О-образные (кольцевые). Противоточная струйная мельница (рис. 3.29) содержит по- мольную камеру 1, противоточные разгонные устройства 2, сепарационную камеру 3 и вращающийся сепаратор 4. Поступающий в патрубок 7 исходный материал подхватывается потоком газа, разделяется в сепараторе 4 на мелкие частицы, выносимые из мельницы, и крупные, поступающие по желобам 6 в эжекторы разгонных устройств 2, куда также под давлением подается энергоноситель – воздух, газ, пар. В помольной Рис. 3.29 Схема противоточной струйной мельницы камере струи, несущие частицы материала, сталкиваются и за счет соударений частиц происходит их разрушение, далее смесь размолотого материала и газа выносится в патрубок 5. Кольцевая струйная мельница (рис. 3.30) состоит из размольной камеры 1, сопловой решетки 2, жа- люзийного сепаратора 3, разгрузочного патрубка 4, загрузочной воронки 5, коллектора энергоносителя 6. Исходный материал, поступающий в камеру 1, подхватывается струями воздуха, выходящими со сверхзвуковой скоростью из сопел 2, и разгоняется, при этом частицы измельчаются за счет соударений о стенки камеры и друг о друга и поднимаются вверх. При повороте за счет центробежных сил крупные частицы концентрируются у на- ружной стенки, мелкие – у внутренней. Через жалюзийную решетку 3 вместе с газом отсасывается готовый продукт, а крупный подается на дополнительное измельчение [18]. Барабанные мельницы относятся к машинам ударно- истирающего действия и по способу возбуждения движения мелю- щих тел делятся на мельницы с вращающимся барабаном, вибраци- онные и центробежные. Этот наиболее многочисленный и широко применяемый класс машин используется для грубого, среднего, тонкого и сверхтонкого измельчения горнохимического сырья, руд, известняка, клинкера, пиг- ментов, солей, шлаков и других материалов. 2 1 6 2 6 10 5 14 13 12 11 4 9 7 8 3 Рис. 3.30 Схема кольцевой струйной мельницы 1 5 3 Среди барабанных мельниц наиболее распространены (в первую очередь, в многотоннажных про- изводствах) вращающиеся барабанные мельницы. Вращающаяся барабанная мельница (рис. 3.31) пред- ставляет собой пустотелый цилиндрический (реже цилиндро-конический) барабан 2, выложенный из- нутри броней и закрытый торцевыми крышками 1 и 3, заполненный определенным количеством из- мельчающих тел 4 и вращающийся вокруг горизонтальной оси. В непрерывно работающих мельницах измельчаемый материал подается через центральное отверстие в одной из крышек внутрь барабана и, продвигаясь вдоль него, разрушается измельчающими телами посредством удара, истирания и раздав- ливания. Рис. 3.31 Схема барабанной мельницы Рис. 3.32. Схема вибрационной мельницы ВЫГРУЗКА ИЗМЕЛЬЧЕННОГО МАТЕРИАЛА ПРОИЗВОДИТСЯ ЛИБО ЧЕРЕЗ ЦЕН- ТРАЛЬНОЕ ОТВЕРСТИЕ В РАЗГРУЗОЧНОЙ КРЫШКЕ, ЛИБО ЧЕРЕЗ РЕШЕТКУ СО ЩЕЛЕ- ВИДНЫМИ ИЛИ КРУГЛЫМИ ОТВЕРСТИЯМИ, ЛИБО ЧЕРЕЗ ОТВЕРСТИЯ НА КОНЦЕ ЦИ- ЛИНДРИЧЕСКОЙ ЧАСТИ БАРАБАНА. В мельницах периодического действия материал загружается и выгружается через люк в цилиндри- ческой части барабана или в одной из торцевых крышек. Длинные барабаны позволяют увеличить вре- мя пребывания в них материала и получить более тонкий помол за один проход, а также уменьшить диаметр барабана у мельниц большой производительности. В зависимости от вида измельчающей сре- ды различают мельницы шаровые (стальные или чугунные шары одного или нескольких размеров, диа- метром 30...120 мм, фарфоровые или другие неметаллические шары), стержневые (стальные стержни длиной, близкой к внутренней длине барабана, одного или нескольких диаметров в интервале 40...125 мм), галечные (окатанная кремневая галька), рудно-галечные (крупнокусковые фракции, выделенные из измельчаемой руды), самоизмельчения или полусамоизмельчения (соответственно куски самого мате- риала или смесь с крупными стальными шарами). В ряде случаев вместо шаров в мельницах использу- ют стальной или чугунный цильпебс (цилиндрики или усеченные конусы), а также металлические тела в форме эллипсоидов, трубок, дисков [18]. Вибрационная мельница (рис. 3.32) состоит из одного или двух (включенных параллельно или по- следовательно) барабанов, заполненных на 70...90 % объема шарами или цильпебсом диаметром 0,5…5 мм и приводимых в колебательное движение дебалансным или гирационным вибратором. Барабаны ус- 1 2 3 4 A A тановлены на пружинных или резиновых опорах. Колебания барабана передаются измельчающим те- лам, что ведет к измельчению подаваемого в барабан материала. Вибрационные мельницы используют- ся для тонкого и сверхтонкого сухого и мокрого измельчения, как периодического, так и непрерывного действия. Обычно работают в открытом цикле, но могут функционировать и в замкнутом цикле с клас- сификатором. Производительность вибрационной мельницы сильно зависит от крупности исходного материала и особенно от тонкости помола и для одной и той же установки может изменяться в десятки раз. Методы расчета производительности отсутствуют, может использоваться метод моделирования [18]. Молотковые дробилки могут быть разделены на две группы: одно- и двухроторные. Последние из- готавливаются в двух вариантах: с последовательным и параллельным дроблением. Наиболее распро- странены однороторные молотковые дробилки, среди которых различают односторонние (нереверсив- ные) (рис. 3.33) и реверсивные с колосниковыми решетками (рис. 3.34) и без них (рис. 3.35). В реверсивных дробилках (рис. 3.35) степень использования металла молотков выше, чем в нере- версивных, что позволяет примерно в 1,5 раза |