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气流粉碎基础理论简介
2015年01月24日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:3055
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      根据气流粉碎原理,其基础理论研究主要包括了以下方面:高速气流的形成,颗粒在高速气流中的加速规律,颗粒冲击粉碎规律,气流粉碎机参数的研究。理解气流粉碎的基础理论,有利于加深对气流粉碎设备的工作原理的理解,更加了解其应用性能。


      1、高速气流的形成


       气流粉碎中物料粉碎的能量来源于高速气流,高速气流则是依靠喷嘴将气流的内能转化为动能而形成的。气流粉碎的喷嘴可分为收缩型和缩放型,目前主要采用缩放型喷嘴。在喷嘴位置的设计上,存在最佳的安装位置,使得粉碎性能达到最佳。


      应用有限元分析软件对喷嘴内部结构受力情况进行分析,讨论了入口直径、入口稳定段长度、喉部临界截面和内腔造型对喷嘴性能的影响。结果发现,入口压力3.5MPa,入口直径为6mm的喷嘴为设计的最佳喷嘴.内腔锥角在8°-12°之间变化时,对喷嘴的性能影响不大,内腔造型为光滑曲面时喷嘴性能最佳。


      2、颗粒在高速气流中的加速规律研究


      目前气流粉碎机的设计中,一直依据射流轴心速度衰减速度在10de~20de,确定喷嘴距粉碎中心点的距离。没有考虑颗粒加入喷射气流后对气流速度的影响,也未考虑颗粒在气流中加速的距离要求。
对于不同的工质,喷嘴出口速度的表达式不同。压缩空气工质喷嘴出口速度为:



          式中,p0,pp1——喷嘴进口、出口处的压力;

   ν0——进口处的比容;

   k——定熵指数,空气的k =1.4。

         而过热蒸汽工质喷嘴出口速度是:



        式中,i ———比焓,J/kg。

       这两个公式对物料不通过喷嘴的情况进行计算是比较准确的,而对物料通过喷嘴的情况则需要进行修正,因为气流中的颗粒对气体的速度有影响。


       3、气流冲击粉碎规律的研究


       颗粒碰撞比较复杂的问题是颗粒的碰撞概率,颗粒在加速后能否相互碰撞及碰撞几率对气流粉碎机的能效比有较大的影响。

      两颗粒以一定的速度碰撞所产生的最大应力为:

      当σmax超过颗粒在一定粒级下的强度时,即产生破坏,据此计算出了不同冲击速度下,球与球、球与平板相撞时的σmax/Z值。对玻璃球和石灰石进行的高速冲击粉碎试验证明:从能耗的角度来说,不同的物料以及不同粒度的同一物料都存在着一个最优的冲击速度,使粉碎的能耗最低。当速度大于该值时,能得到更细的产品,但能量利用率降低。


      上述对颗粒冲击粉碎的探讨,有一定的局限性,包含大量缺陷的颗粒破碎远比理论上建立的力学过程复杂。颗粒粉碎后的粒径是一个相当复杂的问题。同时,颗粒粉碎的环境不同,颗粒的状态、性能、设备及工况不同,颗粒的破碎与能耗关系也不同,很难有一个通用的表达式,而且许多参数必须采用实验的方法进行确定。但在单颗粒的基础上研究了颗粒的比粉碎能与颗粒碰撞强度的关系,认为颗粒的粉碎粒径与颗粒自身的一些性能有较大关系,由此给出颗粒粉碎所需碰撞速度的大小,对以冲击破碎为机理的气流粉碎而言,有一定的指导作用。若能从微观角度和颗粒间的相互作用出发,研究颗粒碰撞过程中裂纹的发生、发展和聚集过程,以及颗粒的运动,碰撞受力、能量传递等,能更明确颗粒破碎的本质。


      粉碎过程的能量效率随颗粒尺寸的减小、粉碎时间的增加、输入能的增加而减小。粉碎介质的动能用于颗粒的粉碎,表现为颗粒尺寸的减小。从断裂力学出发,并考虑颗粒强度尺寸效应,在碰撞实验的基础上,推导出颗粒粉碎能与颗粒粒径的关系和颗粒破坏所需求的冲击速度和颗粒粒径的关系为

      式中,Es——颗粒粉碎能,J;

      Us——颗粒碰撞速度,m/s;

      Y——颗粒的弹性模量,Pa;

      ν——泊松比;

      S0——单位体积颗粒的抗压强度,Pa;

      V0——单位体积;

      m——威布尔均匀系数

      上述公式依然存在很多不足之处。例如:当颗粒碰撞后未产生破坏,一定在其内部产生损伤,使下一次碰撞要求速度值相应降低,但降低的值有多少,颗粒连续碰撞下能量如何吸收及多次碰撞的颗粒强度值如何考虑,上述公式未对此给出解释。


      由于粉碎区域的速度很高,颗粒的粒径非常小,直接测量有一定的困难,所以的研究基本上是理论分析推导和实验验证,因此还有许多问题值得进一步探讨。

 (粉体圈 作者:敬之)



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