УДК 620.178.5 происходит нежелательное явление комкования, агрегатирования частиц материалов.

УДК 620.178.5
УСТРАНЕНИЕ КОМКОВАНИЯ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ
ПРИ СУШКЕ
А.П. Ворошилов, к.т.н.
(Сумский государственный университет)
В процессах сушки дисперсных материалов в вибрирующем слое зачастую
происходит нежелательное явление комкования, агрегатирования частиц материалов.
При многократных столкновениях частиц за счет сил сцепления (аутогезии)
происходит объединение частиц в конгломераты [1,2].
Рассмотрим механизм возникновения такой ситуации с использованием модели
вибрирующего слоя твердых частиц.
Влажное сыпучее тело можно представить в виде твердой сплошной упругой
среды.
Данная среда не выдерживает растягивающих усилий, превышающих какоето
критическое значение PS, зависящее от влажности сыпучего тела и найденное,
например, из опыта [1,2].
Частицы сыпучего материала удерживаются сцеплением, которое обусловлено
аутогезией. Сила аутогезии определяется свойствами частиц и внешними условиями.
Величина ее численно равна силе, необходимой для отрыва частиц друг от друга,
и представляет собой прочность контакта между частицами на разрыв.
Аутогезия множества частиц, составляющих сыпучий материал, складывается из
сил аутогезии, проявляющихся в индивидуальных контактах между частицами, и
зависит от величины этих сил.
Наличие множества взаимодействующих частиц влияет на величину сил
аутогезии.
В этих условиях проявляются основные составляющие силы аутогезии:
механическое зацепление и капиллярное давление.
Силы молекулярного взаимодействия ВандерВаальса не учитываем изза
малой их величины и больших расстояний между частицами, что значительно
снижает вероятность их возникновения.
Так как силы когезии действуют на очень малом расстоянии между частицами и
для их возникновения недостаточно непосредственного соприкосновения частиц, то
их также не рассматриваем в общей сумме сил аутогезии.
Капиллярные силы проявляются в зависимости от влажности. Частицы, связанные
между собой жидкостными мостиками–менисками, притягиваются друг к другу под
действием сил поверхностного натяжения. При частичном заполнении жидкостью
пор между частицами сыпучий материал испытывает действие капиллярного
давления, которое стремится удержать частицы вместе. При полном обволакивании
жидкостью сыпучего материала образуется наполненная твердыми частицами капля,
которая сохраняет форму благодаря силам поверхностного натяжения. Сила
механического зацепления характерна для частиц неправильной формы и
реализуется в основном в сыпучих материалах, испытывающих внешнюю нагрузку.
Считаем, что растяжение слоя происходит только тогда, когда днище аппарата при
вибрации движется вниз. Ситуация растяжения слоя может возникнуть и при
движении днища аппарата вверх, когда скорость его движения замедляется.
Движение слоя дисперсного материала при вибрирующем основании описывается
трансцендентным уравнением [3].
В результате машинной обработки на ЭВМ изучен фронт распространения
опасного сечения в различных режимах при разрушении по высоте h слоя (рис.1) для
«Вісник СумДУ», №3 (49), 2003
103
а, б, b, г, д имеют параметры: h=0,1 м; =157с1;
влажного материала. Кривые
А=103 м; =800 кг/м3;
sint
kсл
b`
г` b
a б
д`
г
д
hx=da2
к,м
0,05
0,1
hсл
Рисунок 1 – Фронт распространения опасного сечения в различных режимах при разрушении по высоте h
слоя (рис.1) для влажного материала
а=310 м/с и с постепенным изменением величины продувки при значениях: ра=0;
рб=184 кгс/м2;рв=384 кгс/м2; рг=384 кгс/м2; рд=924 кгс/м2 соответственно.
Кривые в`, г`, д` имеют те же параметры при А=0,5103 м. Из графика (рис.1) видно,
что при движении основания вниз при 0<sint<1 происходит отделение (hx)
верхней части слоя. Величина hx, таким образом, определяет возможный размер
агрегатов, возникающих в процессе сушки дисперсных материалов. При движении
основания вверх при 1>sint>0 может отделяться от основания весь слой. В этом
случае выбираем такой режим, когда слой после «отделения» от основания
встречается с ним в верхней точке (sint=1) и затем происходит описанное ранее. К
тому же энергетически более рациональна ситуация отрыва малых частей от
верхушки слоя, чем самого слоя. Имея значение размера агрегата d02=hx и значение
потери давления трансцендентное уравнение [3] получим:
 








h

d
h

d
h
P

 

a
2
a
2
A
a
tg
cos

sin
sin
t


g
d



a
2
p
, (1)


aa
a
h


 
где А  смещение вибрации, м;   круговая частота колебаний, рад/с;
 
плотность слоя дисперсных частиц, кг/м3; а  скорость распространения
механических колебаний в слое, м/с (определяется опытным путем); g  ускорение
гравитации, м/с2; Р  потери в давлении потока воздуха на слой твердых частиц,
кгс/м2.
В результате анализа уравнения 1 [3] имеем при малых значениях аргумента:
h h
tg

,
a
a
x
 1,
a
x x
sin

.
a
a
cos
104
«Вісник СумДУ», №3 (49), 2003
Тогда уравнение преобразуется:


 
2
A
(
h

x
)

g
*
(
x

h
)


g
(
h

x
).
p
(2)
Так как hx=da2, то условия для виброобработки влажного материала с заданным
размером агрегата выразятся уравнением

p
d
a
2 2
A



g
*

g
или

p
2
A



g
*
g
.
d

a
2
При отсутствии продувки уравнение примет вид
da2 
p
p
2
.
или A 
2
da2
A 
(3)
(4)
P
При g  dx , т.е. g*=0, имеем
p

d
2 p g.
a
2
или A
2
d
A
g

a
2
(5)
Уравнение (5) характеризует состояние ожиженного слоя при условии
равновесия.
Такое состояние виброожиженного слоя является наиболее распространенным и
часто используемым в практике.
Используя уравнение (1), можно выбрать такой режим, который бы определил
необходимый размер агрегата,  da2.
Несоблюдение этого режима приводит к образованию агрегатов больших
размеров.
В результате аналитических и экспериментальных исследований получена
математическая модель, описывающая состояние и физические условия частиц
вибрирующего слоя в процессе сушки.
SUMMARY
A mathematics model, describing the state and physical conditions of the vibration layer particles in process
of drying has beer obtained as a result of analytical and experimental research.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
2.
3.
Гупало Ю.Т., Черепанов Г.П. О переходе слоя твердых частиц во взвешенное состояние// МЖГ, 1969.№1.- С.31.
Клейн Г.К. Строительная механика сыпучих тел. - М.: Стройиздат, 1977.
Ворошилов А.П., Долгих В.Н., Муштаев В.И. К вопросу о модели вибрирующего слоя. Cушка и
грануляция продуктов микробиологического и полного химического синтеза //Тезисы докладов на
Республиканской научной конференции.- Тамбов, 1981.
Поступила в редколлегию 5 декабря 2002г.
«Вісник СумДУ», №3 (49), 2003
105