Предварительные оценки. Вращающиеся двухфазные и зернистые слои, центробежно-барботажный аппарат. Струйная и вихревая мельницы. Законы измельчения, страница 7

1. Критерии? В аппаратах с дисперсными слоями появляется дополнительный масштаб, связанный с дисперсной средой. Эти аппараты не «масштабируются». При сохранении геометрического подобия аппаратов, размер капель (пузырей, частиц) должен был бы меняться вместе с размером аппарата.
2. Если не принимать во внимание размер дискретной фазы – действует модель сплошной среды. Трудности теоретического моделирования процессов переноса (вязкость, теплопроводность, сопротивление, реакции): системы грубые, в том смысле, что частиц мало для статистического осреднения, поэтому модель сплошной среды априорно неточна! Вывод: – не надо превышать точность в деталях. Важно правильно найти основные параметры – точнее, минимальный набор необходимых параметров для каждой задачи. Так при описании поведения засыпки из одинаковых шаров зачастую достаточно указать одну геометрическую характеристику слоя – объемное содержание твердой фазы, t!
3. Двухфазные системы требуют описания взаимодействия фаз. Статистический подход при определении сил взаимодействия и коэффициентов переноса претендует на большую общность, но замыкание основных уравнений достигается с помощью эмпирики. Есть и альтернативный подход – физическое моделирование сразу – создание микромодели для определения сил взаимодействия, далее детерминированный подход и осреднение. В том и другом случаях вводится модель взаимопроникающих континуумов, определяются межфазные силы.

Мы будем решать проблемы по мере их возникновения, а пока перейдем к конкретным примерам. В вихревую камеру, работающую на воздухе (или на воде), подаем частицы – одинаковые шарики, дробь.

Рис.15

Возможна равновесная орбита, на которой сила сопротивления, возникающая при обтекании частицы радиальным потоком  сплошной фазы со скоростью V_r уравновешивается центробежной силой, связанной с круговым движением частицы со скоростью V_φ:

Здесь z – коэффициент сопротивления, зависящий от характера обтекания частиц сплошной средой. Об этом мы еще будем говорить.

Если частиц много, они влияют на поле скоростей среды, но как показывает опыт, рассредоточиваются по всей камере, образуя устойчивый разреженный слой (см. иллюстрации). Если равновесная орбита лежит за пределами камеры (крупные частицы), то частица испытывает соударение со стенкой, теряет скорость, снова разгоняется потоком. Более мелкие частицы находят свои равновесные орбиты, а совсем мелкие выносятся к оси. Такой слой реализуется в аппарате «Вихревая мельница.

Однако при массированной подаче частиц возможна другая ситуация. Взаимодействие частиц с потоком настолько существенно, что перестраиваются обе системы, сплошная – полем скоростей, и дисперсная – упаковкой. Образуется концентрированный псевдоожиженный слой частиц, какой вы видите на иллюстрации (фото). (Открытие «второго устойчивого состояния…» сделано в ИТ М.А. Гольдштиком и В.Н. Сорокиным). Частицы почти плотно упакованы без каких либо неоднородностей, «пузырей» -- доменов. На самом деле они не прилегают друг к другу, а хорошо обтекаются. Обтекание носит струйный характер. Это обтекание без отрыва, когда сопротивление резко снижается, по сравнению с обтеканием в безграничном потоке. Эффект притяжения шаров демонстрируется на модели, которую вы видите на иллюстрации.

Рис.16. Два устойчивых положения взвешенного газовой струей шарика. Газовая струя формируется в сопле из трех таких же прижатых друг к другу шариков.

Что дает центробежный кипящий слой (ЦПС)? Прежде всего, ряд преимуществ по сравнению с обычным гравитационным кипящим слоем:

1.  Для кипящих слоев в поле тяжести есть предельная скорость обтекания частиц, после превышения которой, частицы выносятся. В случае ЦПС такого предела нет, т.к. с ростом скорости растет и «тяжесть».

2.  Аппараты с ЦПС чрезвычайно компактны, так как концентрация частиц в них близка к плотной случайной упаковке.