V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

Определение направления и скорости воздушных потоков в различных точках рабочей камеры центробежного смесителя является одной из основных задач, решение которой помогает организовать и интенсифицировать процесс смешивания.

В настоящее время, ведущими учеными в области смесеприготовления, не достаточно изучено влияние воздушных потоков на качество смеси, а тем более определение составляющих скорости воздушных потоков. Поэтому исследование направления и скорости движения воздушных потоков во внутреннем объеме центробежного смесителя (ЦС) является актуальным.

Цель работы: определить направления и скорости воздушных потоков в различных точках рабочей камеры центробежного смесителя при различных частотах вращения и конструкциях ротора смесителя.

При работе центробежных смесителей с быстровращающимся ротором создаются воздушные потоки, в движение которых вовлекаются частицы высокодисперсных компонентов. Образующиеся воздушные течения влияют на структуру материального потока, двигающегося по поверхности конусов, что отражается на работе всего аппарата. Таким образом возникает необходимость в определении характера и параметров формирующихся воздушных потоков в рабочей области смесителя.

При вращении конусного ротора, вследствие сил трения, начинает свое движение пограничный слой воздуха который, под действием сил инерции, движется от центра ротора к его периферии. Скорость движения воздуха можно разложить на три составляющие: окружную Wок - направленную по касательной к поверхности ротора в сторону его вращения, радиальную Wр - направленную от центра к периферии ротора, и осевую Wос - действующую в вертикальном направлении от основания ротора вверх. Тонкослойное радиальное движение воздушных потоков возникает непосредственно вблизи рабочих поверхностей смесителя, таких как ротор, корпус, крышка. Оставшееся воздушное пространство, ограниченное рабочими поверхностями ЦС , вращается вместе с ротором с несколько меньшей скоростью. Осевое движение воздушных потоков происходит в направлении, перпендикулярном основанию ротора. Составляющие скорости воздушного потока будут зависеть в большей степени от размеров ЦС, конструкции ротора и частоты его вращения. В наших экспериментальных исследованиях для определения значений составляющих скорости воздушного потока был использован центробежный смеситель [1] (рис. 1), ротор которого изготовлен таким образом, чтобы на него можно было устанавливать конуса различных модификаций (рис. 2).

Рис. 1 Базовая конструкция универсального центробежного смесителя

а б в

а) гладкий конус с пропускными окнами и лопастями;

б) гладкий конус с пропускными окнами;

в) гладкий конус с пропускными окнами и волнообразной верхней кромкой.

Рис. 2 Модификации конусов

Работа смесителя осуществляется следующим образом. Сыпучие материалы подаются через патрубок 11 на диск 2 вращающегося ротора. Под действием центробежной силы сыпучая масса равномерно “растекается” по диску 2 и переходит на внутреннюю поверхность полого усеченного конуса 10. Большая часть материала выбрасывается из конуса 10, под действием спиралевидных направляющих лопастей 8, а другая измельчается, проходя через отверстия в этих лопастях, образуя дополнительные потоки. Сыпучая масса достигает верхней кромки конуса. Общий кольцевидный поток материала сходит с поверхности конуса 10 в разные моменты времени, разделяясь на несколько частей, которые, впоследствии, пересекаются друг с другом в кольцевом пространстве между ротором и корпусом смесителя. Часть материала проходит через перепускные окна 9 конуса, образуя при этом опережающий поток. Готовая смесь ссыпается на днище 3 и при помощи разгрузочных лопастей 6 выводится из аппарата через разгрузочный патрубок 7.

При проведении экспериментальных исследований нами была использована следующая методика.

Составляющие скорости движения воздуха измеряли на холостом ходу в различных точках и направлениях внутри ротора ЦС (рис. 1). Замеры скорости воздушного потока проводили при помощи микропроцессорного термоанемометра-термометра ТТМ-2. Точность измерения которого составляла 2% от максимальной скорости потока. Принцип работы ТТМ-2 основан на измерении температурного сопротивления нагретого терморезистора охлаждаемого воздушным потоком. В качестве чувствительных элементов для измерения температуры и скорости потока воздуха используются миниатюрные платиновые терморезисторы. Термоанемометр считывает показания с измерительного зонда, рассчитывает по настроенной калибровке скорость воздушного потока и индицирует её на ЖК-индикаторе. Термоанемометр ТТМ-2 производит усреднение измерений за 2 и за 10 секунд и фиксирует максимальное/минимальное значение скорости [2].

Для проведения экспериментальных исследований на ротор центробежного смесителя поочерёдно устанавливали один из трёх конусов (рис. 2). Замеры проводили при частотах вращения ротора: 10 и 24 . С целью уменьшения погрешности измерений прибор ТТМ-2 жёстко закрепляли на штативе и устанавливали терморезистор в точку, в которой необходимо измерить скорость воздушного потока. Полученные экспериментальные величины составляющих скоростей воздушных потоков представлены в таблицах 1, 2, 3.

Таблица 1.Величины составляющих скоростей воздушных потоков на гладком конусе с пропускными окнами.

№ позиции измеряемой точки	Составляющие скоростей, м/с
	n=10, с-1			n=24, с-1
	Wр	Wокр	Wос	Wр	Wокр	Wос
1	0,12	0,09	0,13	0,12	0,08	0,14
2	0,09	0,15	0,11	0,09	0,15	0,13
3	0,06	0,16	0,06	0,06	0,2	0,07
4	0,16	0,17	0,12	0,2	0,21	0,13
5	0,18	0,21	0,1	0,24	0,15	0,1
6	0,14	0,16	0,08	0,19	0,21	0,09
7	0,12	0,14	0,05	0,08	0,09	0,07
8	0,15	0,08	0,07	0,08	0,06	0,07

Таблица 2.Величины составляющих скоростей воздушных потоков на гладком конусе с пропускными окнами и лопастями.

№ позиции измеряемой точки	Составляющие скоростей, м/с
	n=10, с-1			n=24, с-1
	Wр	Wокр	Wос	Wр	Wокр	Wос
1	0,08	0,06	0,17	0,11	0,11	0,19
2	0,08	0,07	0,15	0,09	0,09	0,15
3	0,04	0,09	0,06	0,06	0,17	0,06
4	0,09	0,12	0,12	0,17	0,15	0,08
5	0,21	0,21	0,14	0,28	0,28	0,11
6	0,08	0,18	0,11	0,15	0,18	0,09
7	0,08	0,15	0,06	0,13	0,17	0,06

Таблица 3.Величины составляющих скоростей воздушных потоков на гладком конусе с пропускными окнамии волнообразной верхней кромкой.

№ позиции измеряемой точки	Составляющие скоростей, м/с
	n=10, с-1			n=24, с-1
	Wр	Wокр	Wос	Wр	Wокр	Wос
1	0,09	0,11	0,09	0,11	0,1	0,14
2	0,07	0,08	0,07	0,08	0,11	0,08
3	0,03	0,08	0,06	0,05	0,11	0,06
4	0,08	0,16	0,07	0,11	0,16	0,08
5	0,18	0,14	0,06	0,24	0,21	0,07
6	0,06	0,08	0,05	0,11	0,23	0,05
7	0,04	0,06	0,06	0,04	0,11	0,04
8	0,04	0,03	0,06	0,04	0,06	0,06

Из таблиц 1-3 можно сделать следующие выводы.

Осевая составляющая скорости. При частоте вращения ротора 10 достигается её максимальное значение на гладком конусе с пропускными окнами и лопастями. Она больше на 13% и 40 %, соответственно, по отношению к Wос измеренной на модификациях (б) и (в) (рис. 2). При частоте вращения ротора 24 максимальное значениеWос достигается при использовании модифицированных конусов (б) и (а). Их скорость больше на 18% по отношению к Wос замеренной наконусе с пропускными окнами и волнообразной верхней кромкой.

Радиальная составляющая скорости. При частоте вращения ротора 10 скорость воздушного потока на гладком конусе с пропускными окнами и лопастями больше на 14%, чем Wр измеренные на других конструкциях конусов. При частоте вращения ротора 24 Wр достигает максимального значения на гладком конусе с пропускными окнами и лопастями. Она больше на 10% и 14 %, соответственно, по отношению к скоростям воздушных потоков в радиальном направлении, на конусах (б) и (в).

При достижении окружной составляющей скорости в диапазоне 0,1..0,15 м/с наблюдается частичное вовлечение высокодисперсных компонентов в воздушное пространство рабочей камеры центробежного смесителя. Дальнейшее увеличение Wокр до 0,28 м/с приводит к вихревому движению пылевоздушных потоков и, как следствие, к возникновению процесса сегрегации получаемой смеси. В результате это приводит к снижению эффективности смешивания. Особенно ярко эта картина наблюдается на модификации ротора в виде гладкого конуса с пропускными окнами и лопастями. Так как последние создают дополнительный вентиляционный эффект, приводящий к дополнительной турбулизации пылевоздушных потоков, поэтому для устранения сегрегации и увеличения эффективности смешивания предлагается установка внутри смесителя направляющих или отражательных элементов, позволяющих задать нужное направление воздушным потокам.

Для наглядности представим эпюры усредненных значений составляющих скорости воздушного потока внутри рабочей камеры смесителя на рисунке 3.

1) гладкий конус с пропускными окнами ( n=24 )

2)гладкий конус с пропускными окнами и лопастями ( n=10 )

3)гладкий конус с пропускными окнами и лопастями ( n=24 )

Рис. 3. Эпюры составляющих скорости воздушного потока внутри рабочей камеры смесителя

По итогам экспериментальных исследований определили направления и скорости воздушных потоков в различных точках рабочей камеры центробежного смесителя при различных частотах вращения и конструкциях ротора. Определили наибольшие скорости воздушных потоков внутри смесителя. Данные экспериментальные исследования позволяют увидеть картину движения воздушных потоков внутри центробежного смесителя периодического действия. Для получения качественных композиций содержащих высокодисперсные компоненты, уходящие в пылевоздушное пространство, рекомендуется установка внутри смесителя направляющих или отражающих элементов, позволяющих задать нужное направление воздушным потокам. Все это позволит уменьшить сегрегацию. По результатам экспериментов видно, что самые низкие величины составляющих скорости воздушных потоков приходятся на центр ротора. Экспериментально установлено, что Wр скорости воздушного потока в центре ротора на исследованных модификациях практически близки к нулю. В результате этого в центре ротора образуется застойная зона, которая может привести к ухудшению качества получаемых смесей. Для устранения этого недостатка авторами предложено выполнить основание ротора в виде диска, с концентрично установленным полым конусом, обращенным вершиной вверх. Для увеличения Wос скорости воздушного потока в центре ротора нами предложено установить над конусом осевой вентилятор, в виде четырех лопаток, расположенных под углом 60° к горизонтальной плоскости. Это позволит не только увеличить скорость воздуха в осевом направлении, но и создаст дополнительные потоки воздуха в радиальном и окружном направлениях. В результате такой конструктивной модификации ротора ЦС увеличивается радиальное смешивание по сечению за счет торможения слоев компонентов, вследствие сил трения, их наложения и пересечения, а также внедрения в соседние потоки. Помимо этого увеличится степень продольного перемешивания за счет опережающего движения вдоль оси аппарата части смешиваемых компонентов, либо за счет их некоторого запаздывания, или циркуляции.

Список используемых источников

1. Бакин И.А., Карнадуд О.С., Сухоруков Д.В. Патент, 104867 РФ, U1 В 01 F 5/22/Cмеситель-диспергатор/27.05.2011.

2. Цифровой измеритель расхода воздуха [Электронный ресурс] URL: http://studentbank.ru/view.php?id=39797.html (дата обращения: 17.05.2011)

Код для цитирования: Скопировать