Технические науки/ 2.Механика

К.т.н. Бойчук И.П., к.т.н. Карташев А.С.

Белгородский государственный технологический университет
им. В.Г. Шухова, Россия,
Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «ХАИ», Харьков, Украина

Влияние акустического воздействия на взвешенные частицы в помольной камере вихре акустического диспергатора

Измельчение твердых материалов на сегодняшний день является одной из актуальных проблем современной промышленности. Разрушение материала происходит в струйных мельницах за счет свободного удара частиц материала друг о друга или о преграду. В струйно-вихревых мельницах интенсификация процесса измельчения достигается за счет наложения на течение акустических колебаний.

В камерах мельниц располагают источники газодинамического возмущения. В этом случае процесс движения сопровождается акустическим излучением. Анализ показывает, что влияние акустического излучения на движение частиц в двухфазном закрученном потоке сводится к следующим вариантам.

1. Поглощение частицами звукового излучения. Излучения больших частот лучше поглощаются мелкими частицами твердой фазы, а малых частот – крупными [1]. Акустические возмущения вносят в процесс разрушения дополнительные механизмы [2]. Поглощение увеличивает уровень напряжения в частицах. Такие эффекты полезны для разрушения частиц при ударе или даже их саморазрушения.

2. Воздействие на частицу знакопеременной нагрузки от звукового излучения. Акустическое излучение приводит к воздействию на частицу следующих сил: силы радиационного дрейфа, обусловленной действием радиационного давления; силы дрейфа, обусловленной периодическим изменением вязкости среды; силы, обусловленной разностью плотностей частицы и несущей среды [3-5]. Это воздействие приводит к тому, что частицы менее 0,01 мм, которые двигаются в некотором удалении от стенки, могут вовлекаться в колебательное движение высокоскоростного потока под действием волн сжатия и разряжения [3]. Под действием этих волн частицы испытывают чередующиеся сжимающие и растягивающие напряжения [1, 6]. Все это ведет к усилению внутреннего напряженно-деформированного состояния частиц, способствует умножению и росту микродефектов внутренней структуры частиц и их разрушению [7]. При этом успешно используется физическое свойство твердых кристаллических материалов - их усталостная прочность ниже статической прочности [2]. Т. е. для ускорения процесса усталостного объемного разрушения частиц кроме увеличения квазистатических (безударных) периодических нагрузок выгодно увеличивать как частоту, так и амплитуду высокочастотных циклических возмущений параметров потока в области измельчения.

3. Изменение значения коэффициента сопротивления трения. Колебательное движение возле стенки или самой стенки приводят к увеличению расхода жидкости по сечению. Следовательно, значение коэффициента сопротивления трения должно быть меньше, чем у плоской полуограниченной струи. У потока при воздействии акустических колебаний торможение полуограниченной закрученной струи идет намного медленнее, а уменьшение коэффициента сопротивления трения делает профиль скорости вдоль стенки более пологим в сравнении с потоком без воздействия акустических колебаний [3]. Это приводит к снижениям потерь энергии, увеличению расхода и уменьшению количества ударов частиц о стенки камеры.

4. Воздействие акустических колебаний на течение. В [3] указывалось, что основное влияние на течение звуковая волна оказывает в пограничном слое. В тонком пограничном слое это воздействие на основное течение приводит к изменению скорости течения. В стоячей волне звуковая волна в погранслое вызывает течение, сводящееся к образованию вихрей определенной величины [8]. Наложение этих вихрей на основное течение будет приводить к изменению скорости и времени нахождения частиц в вихревой камере.

В настоящее время существует достаточно большое количество различных конструкций вихревых камер, применяемых для механической обработки дисперсных материалов [9]. Использование эффектов воздействия акустического излучения на двухфазные вихревые потоки, обеспечивающее самоизмельчение частиц в потоке, представляется одним из наиболее перспективных направлений в разработке оборудования.

Литература:

1. Патент РФ № 93008765/33, 10.03.1993. Артемьев В. К. Газодинамическое устройство тонкого измельчения // Патент России № 2013134. 1994.

2. Патент РФ № 96118618/03, 18.09.1996. Карданов Ю. Х. Способ тонкого или сверхтонкого измельчения полидисперсных частиц кристаллических материалов // Патент России № 2103070. 1998.

3. Захаров Ю.А. Измельчение дисперсных материалов в вихревых мельницах при воздействии акустических колебаний: Автореф. дис. канд. техн. наук. Санкт-Петербург, 2001. 18 с.

4. Корчаков В.Г. Аэродинамика потоков в вихревых мельницах при измельчении силикатных материалов: Автореф. дис. канд. техн. наук. Харьков, 1986. 18 с.

5. Перелыгин Д.Н. Исследование траектории движения частиц в вихревой мельнице / Севостьянов В.С., Горлов А.С., Перелыгин Д.Н./ Научное издание «Вестник БГТУ»: Научно-теоретический журнал: Белгород. Изд-во БГТУ, 2003. - №6. – С.354-357.

6. Патент РФ № 96109854/03, 14.05.1996. Шостак В. В., Кулаков М. Па. Способ измельчения материалов в потоке энергоносителя и устройство вихревого помола для его осуществления // Патент России № 2100082. 1997.

7. Патент РФ № 93053658/33, 06.12.1993. Артемьев В.К.; Карданов Ю.Х. Способ сверхтонкого измельчения материалов // Патент России № 2070094. 1996.

8. Основы физики и техники ультразвука /Б. А. Агранат, М. Н. Дубровин, Н. Н. Хавский. - М.: Высш. шк. , 1987. 352 с.

9. Патент РФ № 96112503/03, 19.06.1996. Ишутин А.Г.; Веригин А.Н.; Шупляк И.А. Струйно-вихревая камера // Патент России № 2118911. 1998.