какое понятие обозначает разделение за счет различных скоростей движения частиц в воздушном потоке

Тема №1

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ДВИЖЕНИЯ ВОЗДУХА

ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ

Состояние вещества (твердое, жидкое, газообразное) характеризуется расстоянием между молекулами. Все молекулы имеют свойство взаимного притяжения и отталкивания, зависящее от расстояния между ними.

У твердых тел расстояния между молекулами очень малы и силы взаимного притяжения молекул велики. Молекулы совершают незначительные колебательные движения. У жидких веществ расстояния между молекулами больше, они движутся в разных направлениях. Но силы притяжения еще достаточно велики и молекулы не отрываются друг от друга.

У газообразных веществ расстояния между молекулами значительно больше самих молекул, взаимное притяжение очень мало, молекулы движутся в различных направлениях и с различной скоростью. При движении молекулы испытывают около нескольких миллиардов столкновений в секунду, меняя при этом направление и скорость.

Каждая молекула при поступательном движении обладает кинетической энергией

(1.1)

(1.2)

то получим: (1.3)

R-газовая постоянная, Дж/кг К (или кгс м/кг трад);

v-удельный объем воздуха, м 3 кг.

Подставим К в уравнение (1.3), получим уравнение кинетической энергии одной молекулы газа.

(1.4)

Энергия всех молекул вместе рассматривается как внутренняя энергия вещества. При понижении температуры вещества (газа) энергия хаотически движущихся молекул понижается. Из уравнения можно сделать вывод, что кинетическая энергия молекул зависит только от температуры газа и не зависит от изменения объема, в который газ заключен.

УСТАНОВИВШИЙСЯ ВОЗДУШНЫЙ ПОТОК

Элементарная струйка — это мысленно выделенный поток (небольшой замкнутый контур в виде трубки), через боковую поверхность которого воздух протекать не может ни вовнутрь, ни наружу.

ЛАМИНАРНЫЙ И ТУРБУЛЕНТНЫЙ ВОЗДУШНЫЙ ПОТОК

ПОГРАНИЧНЫЙ СЛОЙ

При обтекании тела воздушным потоком (Рис. 5) частицы воздуха не скользят по поверхности тела, а тормозятся, и скорость воздуха у поверхности тела становится равной нулю. При удалении от поверхности тела скорость воздуха возрастает от нуля до скорости течения воздушного потока.

Толщина пограничного слоя измеряется в миллиметрах и зависит от вязкости и давления воздуха, от профиля тела, состояния его поверхности и положения тела в воздушном потоке. Толщина пограничного слоя постепенно увеличивается от передней к задней кромке. В пограничном слое характер движения частиц воздуха отличается от характера движения вне его.

Рассмотрим частицу воздуха А (Рис. 6), которая находится между струйками воздуха со скоростями U₁ и U₂, за счет разности этих скоростей, приложенных к противоположным точкам частицы, она вращается и тем больше, чем ближе находится эта частица к поверхности тела (где разность скоростей наибольшая). При удалении от поверхности тела вращательное движение частицы замедляется и становится равным нулю ввиду равенства скорости воздушного потока и скорости воздуха пограничного слоя.

Позади тела пограничный слой переходит в спутную струю, которая по мере удаления от тела размывается и исчезает. Завихрения в спутной струе попадают на хвостовое оперение самолета и снижают его эффективность, вызывают тряску (явление Бафтинга).

Пограничный слой разделяют на ламинарный и турбулентный (Рис. 7). При установившемся ламинарном течении пограничного слоя проявляются только силы внутреннего трения, обусловленные вязкостью воздуха, поэтому сопротивление воздуха в ламинарном слое мало.

Рис. 5 Изменение скорости течения воздуха в пограничном слое

Рис. 7 Ламинарное и турбулентное течение

В турбулентном пограничном слое наблюдается непрерывное перемещение струек воздуха во всех направлениях, что требует большего количества энергии для поддерживания беспорядочного вихревого движения и, как следствие этого, создается большее по величине сопротивление воздушного потока движущемуся телу.

Для определения характера пограничного слоя служит коэффициент C_f. Тело определенной конфигурации имеет свой коэффициент. Так, например, для плоской пластины коэффициент сопротивления ламинарного пограничного слоя равен:

(1.5)

для турбулентного слоя

(1.6)

При обтекании тела воздушным потоком в определенной точке происходит переход пограничного слоя из ламинарного в турбулентный. Эта точка называется точкой перехода. Расположение ее на поверхности профиля тела зависит от вязкости и давления воздуха, скорости струек воздуха, формы тела и его положения в воздушном потоке, а также от шероховатости поверхности. При создании профилей крыльев конструкторы стремятся отнести эту точку как можно дальше от передней кромки профиля, чем достигается уменьшение сопротивления трения. Для этой цели применяют специальные ламинизированные профили, увеличивают гладкость поверхности крыла и ряд других мероприятий.

При увеличении скорости воздушного потока или увеличении угла положения тела относительно воздушного потока до определенной величины в некоторой точке происходит отрыв пограничного слоя от поверхности, при этом резко уменьшается давление за этой точкой.

В результате того, что у задней кромки тела давление больше чем за точкой отрыва, происходит обратное течение воздуха из зоны большего давления в зону меньшего давления к точке отрыва, которое влечет за собой отрыв воздушного потока от поверхности тела (Рис. 8).

Ламинарный пограничный слой отрывается легче от поверхности тела, чем турбулентный.

УРАВНЕНИЕ НЕРАЗРЫВНОСТИ СТРУИ ВОЗДУШНОГО ПОТОКА

Рис. 8 Течение в пограничном слое вблизи точки отрыва

Рис. 9 Пояснение к закону неразрывности струи воздушного потока

При рассмотрении его принимают условие, что изучаемый воздух не обладает свойством сжимаемости (Рис. 9).

В струйке переменного сечения через сечение I протекает за определенный промежуток времени секундный объем воздуха, этот объем равен произведению скорости воздушного потока на поперечное сечение F.

Секундный массовый расход воздуха m равен произведению секундного расхода воздуха на плотность р воздушного потока струйки. Согласно закону сохранения энергии, масса воздушного потока струйки m₁, протекающего через сечение I (F₁), равна массе т₂ данного потока, протекающего через сечение II (F₂), при условии, если воздушный поток установившийся:

Это выражение и называется уравнением неразрывности струи воздушного потока струйки.

Так как мы рассматриваем несжимаемый воздушный поток, где плотность струи ₁ сечения f ₁ равна плотности струи ₂ сечения F₂, ₁=₂=const, то уравнение можно записать в следующем виде:

Итак, из формулы видно, что через различные сечения струйки в определенную единицу времени (секунду) проходит одинаковый объем воздуха, но с разными скоростями.

Запишем уравнение (1.9) в следующем виде:

Из формулы видно, что скорость воздушного потока струи обратно пропорциональна площади поперечного сечения струи и наоборот.

Тем самым уравнение неразрывности струи воздушного потока устанавливает взаимосвязь между сечением струи и скоростью при условии, что воздушный поток струи установившийся.

СТАТИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ И СКОРОСТНОЙ НАПОР УРАВНЕНИЕ БЕРНУЛЛИ

(1.11)

. (1.12)

(1.15)

Из уравнения видно, что внутренняя энергия воздушного потока прямо пропорциональна его температуре.

Ввиду мизерно малых значений разноса центров тяжести масс воздуха по высоте в струйке воздушного потока этой энергией в аэродинамике пренебрегают.

Рассматривая во взаимосвязи все виды энергии применительно к определенным условиям, можно сформулировать закон Бернулли, который устанавливает связь между статическим давлением в струйке воздушного потока и скоростным напором.

Рассмотрим трубу (Рис. 10) переменного диаметра (1, 2, 3), в которой движется воздушный поток. Для измерения давления в рассматриваемых сечениях используют манометры. Анализируя показания манометров, можно сделать заключение, что наименьшее динамическое давление показывает манометр сечения 3-3. Значит, при сужении трубы увеличивается скорость воздушного потока и давление падает.

Рис. 10 Объяснение закона Бернулли

Причиной падения давления является то, что воздушный поток не производит никакой работы (трение не учитываем) и поэтому полная энергия воздушного потока остается постоянной. Если считать температуру, плотность и объем воздушного потока в различных сечениях постоянными (T₁=T₂=T₃;р₁=р₂=р₃, V1=V2=V3), то внутреннюю энергию можно не рассматривать.

Значит, в данном случае возможен переход кинетической энергии воздушного потока в потенциальную и наоборот.

Когда скорость воздушного потока увеличивается, то увеличивается и скоростной напор и соответственно кинетическая энергия данного воздушного потока.

Подставим значения из формул (1.11), (1.12), (1.13), (1.14), (1.15) в формулу (1.10), учитывая, что внутренней энергией и энергией положения мы пренебрегаем, преобразуя уравнение (1.10), получим

(1.17)

Это уравнение для любого сечения струйки воздуха пишется следующим образом:

Такой вид уравнения является самым простым математическим уравнением Бернулли и показывает, что сумма статического и динамического давлений для любого сечения струйки установившегося воздушного потока есть величина постоянная. Сжимаемость в данном случае не учитывается. При учете сжимаемости вносятся соответствующие поправки.

Для наглядности закона Бернулли можно провести опыт. Взять два листка бумаги, держа параллельно друг другу на небольшом расстоянии, подуть в промежуток между ними.

Рис. 11 Измерение скорости воздушного потока

Источник

Способ разделения твердых частиц в воздушном потоке и установка для его осуществления

Владельцы патента RU 2260480:

Изобретение относится к технологии разделения твердых частиц в воздушном потоке и может быть использовано при выделении металлосодержащих отходов, например из электронного лома.

Известен способ разделения твердых частиц в воздушном потоке, преимущественно при выделении металлосодержащих отходов из электронного лома, включающий создание воздушного потока, в который вводят смесь исходного сырья с последующим его разделением и отводом выделившихся фракций, при этом тяжелую фракцию перемещают в направлении, противоположном движению воздушного потока (см. авторское свидетельство СССР №1554992, МКИ В 07 В 4/08, 4/00, 1988).

Недостаток известного способа заключается в недостаточных его эффективности и качестве при разделении смеси частиц, состоящих из собственно металлосодержащих отходов и неметаллических частиц, близких к ним по весу, но разных по размерам из-за различия в плотности. Это связано с тем, что отходы, предварительно измельченные до размеров 1-8 мм, как содержащие так и не содержащие металл разделяются в поле гравитационных сил в воздушном потоке. При близких значениях таких частиц по весу и подобранном для этого оптимальном расходе воздуха определенный процент неметаллических частиц будет оседать в приемный бункер для сбора металлосодержащих отходов, и наоборот, частицы металлосодержащих отходов будут уноситься с неметаллическими частицами. При этом эффективность и качество разделения определяются только временем пребывания тяжелых фракций в зоне разделения, т.е. определяются скоростью воздушного потока.

Известна установка для разделения твердых частиц в воздушном потоке, преимущественно при выделении металлосодержащих отходов из электронного лома, содержащая пневматический разделитель твердых частиц с загрузочным бункером и приспособлением для подачи исходного сырья, патрубок, соединенный с атмосферой, патрубки вывода легких фракций и отверстие для вывода металлосодержащей фракции, средство создания воздушного потока и приспособление для регулирования аэродинамического режима разделения (см. авторское свидетельство СССР №1554992, МКИ В 07 В 4/08, 4/00,988).

Недостаток известной установки заключается в недостаточных эффективности и качестве разделения металлосодержащих и неметаллических частиц, близких по весу в воздушном потоке. В этой установке эффективность и качество разделения всего лишь может быть оптимизировано на некотором значении, поскольку эти показатели зависят от времени пребывания этих частиц в зоне разделения, т. е. от скорости воздушного потока.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении эффективности и качества разделения твердых частиц.

Это достигается тем, что в известном способе разделения твердых частиц в воздушном потоке, преимущественно при выделении металлосодержащих отходов из электронного лома, включающем создание воздушного потока, в который вводят смесь исходного сырья с последующим его разделением и отводом частиц выделившихся фракций, при этом частицы тяжелой фракции перемещают в направлении, противоположном движению воздушного потока, согласно изобретению разделение сырья осуществляют в пневматическим разделителе, выполненном из двух телескопических цилиндров, в котором твердые частицы перемещают по окружности порциями снизу вверх с помощью продольных лопастей, установленных на внутренней поверхности входного цилиндра, при этом тяжелую фракцию сбрасывают вниз и перемещают в направлении, противоположном движению воздушного потока к отверстию для выгрузки металлосодержащих отходов, и воздействуют дополнительным воздушным потоком.

В известной установке для разделения твердых частиц в воздушном потоке, преимущественно при выделении металлосодержащих отходов из электронного лома, содержащей пневматический разделитель твердых частиц с загрузочным бункером и приспособлением для подачи исходного сырья, патрубок, соединенный с атмосферой, патрубки вывода легких фракций и отверстие для вывода металлосодержащей фракции, средство создания воздушного потока и приспособление для регулирования аэродинамического режима разделения, согласно изобретению пневматический разделитель выполнен в виде двух телескопических цилиндров, свободные торцы которых закрыты крышками, при этом цилиндры установлены с возможностью одновременного вращения относительно крышки на входном цилиндре, который снабжен приводом вращения, и вокруг своей горизонтальной оси, которая наклонена под углом вверх от входа к выходу пневматического разделителя, а внизу боковой стенки крышки входного цилиндра выполнено сквозное отверстие для вывода металлосодержащей фракции, причем телескопическое соединение выходного цилиндра с входным цилиндром образует приспособление для регулирования аэродинамического режима разделения, при этом приспособление для подачи исходного сырья размещено на крышке входного цилиндра, на внутренней поверхности которого установлены продольные лопасти, а патрубки вывода легких фракций установлены на крышке выходного цилиндра, снабженного приводом возвратно-поступательного перемещения. При этом на крышке входного цилиндра в нижней части выполнено не менее одного сквозного отверстия, диаметр которого не превышает высоту продольных лопастей, а на ее оси размещена заслонка, установленная с возможностью перекрытия сквозного отверстия.

Кроме того, приспособление для подачи исходного сырья из бункера в пневматический разделитель выполнено в виде шнека, ось которого размещена горизонтально относительно разделителя.

При этом одна стенка бункера выполнена наклонной, соединена с вибратором и установлена с возможностью перекрытия входа канала подачи исходного сырья из загрузочного бункера.

Причем по оси входного цилиндра установлен экран-отбойник, а продольные лопасти установлены под углом к образующей входного цилиндра и отогнуты по всей их длине по направлению его вращения.

Выходной цилиндр расположен внутри входного цилиндра.

Работает установка следующим образом.

В бункер 19 засыпают измельченный до размера 1-8 мм лом электронных приборов и блоков и его герметизируют. Затем включают средства создания воздушного потока в пневморазделителе, например вентиляторы или пылесосы (па чертеже условно не показаны), вибратор 22 и приводы вращения шнека 16 и цилиндров 1 и 2 (на чертеже условно не показаны). За счет вибрации стенки 21 бункера 19 исходное сырье поступает по каналу 18 через загрузочное окно 17 в полость шнека 16, а затем его винтом через отверстие 15 в крышке 8 внутрь входного цилиндра 2 пневматического разделителя. После включения средств, создания воздушного потока в пневморазделителе атмосферный воздух через патрубок 20 засасывается через полость шнека 16 внутрь пневморазделителя, захватывая измельченные частицы, поступающие во входной цилиндр 2. При этом на все твердые частицы, поступающие во входной цилиндр 2, одновременно действуют две силы: сила тяжести и сила движущегося воздушного потока, отклоняющая их от вертикального падения и искривляющая траекторию их движения. Пыль, мелкие и легкие твердые частицы исходного сырья уносятся воздушным потоком к патрубку 4, а твердые частицы средней фракции тормозятся у крышки 3, падают вниз, часть которых уносится через патрубок 5 на утилизацию, а при необходимости на дальнейшую классификацию или очистку. Частицы тяжелых фракций, содержащих как металлические, так и неметаллические частицы, имеют как разную массу и размер, так и одинаковую массу, но разные размеры, что и определяет их разную траекторию движения в воздушном потоке внутри входного цилиндра 2. Для снижения вероятности уноса частиц металлосодержащей фракции, у которых траектория пути протяженная, во входном цилиндре 2 установлен экран-отбойник 14, после соударения с которым скорость их падает и они опускаются вниз. При этом основная масса тяжелых частиц начинает падать вниз сразу от места ввода исходного сырья, и накапливаться на нижней части входного цилиндра 2 вращающегося пневморазделителя. Продольные лопасти 13 входного цилиндра 2 захватывают порции твердых частиц и поднимают их вверх, а затем они начинают ссыпаться вниз, при этом на частицы воздействует воздушный поток, захватывая наиболее легкие, какими являются неметаллические частицы, и уносят их к крышке 3. Продольные лопасти 13 установлены под углом к образующей входного цилиндра 2 таким образом, что при его вращении они сбрасывают частицы в направление к отверстию 10 в крышке 8. За счет того, что лопасти 13 отогнуты в направлении вращения, это позволяет увеличить высоту подъема частиц тяжелой фракции, с которой они начинают ссыпаться вниз. Открывая заслонку 24, сообщают входной цилиндр 2 с атмосферой через отверстия 23 (одно или несколько). Поскольку отверстия 23 выполнены со стороны, с которой ссыпаются частицы тяжелой фракции, то созданный дополнительный воздушный поток уносит частицы, имеющие большую поверхность, т.е. высокие аэродинамические характеристики. Регулируя количество открываемых одновременно отверстий 23 или величину продолговатого отверстия, поддерживают наиболее эффективный режим разделения исходного сырья. Это позволяет при одной и той же длине цилиндра 2 и скорости воздушного потока увеличить время пребывания частиц в процессе их разделения за счет многократного подъема их вверх и сброса вниз и соответственно за счет многократного взаимодействия падающих частиц с воздушным потоком. Частицы металла и неметалла, имеющие одинаковую массу, но разные размеры, а следовательно, и поверхность, обладают разной «парусностью», т.е. разными аэродинамическими характеристиками. При этом неметаллические частицы имеют большую поверхность и, следовательно, на них будет действовать сила воздушного потока больше, чем на частицы металла при их одинаковой массе, что увеличивает вероятность их уноса. Металлические частицы по наклонной поверхности входного цилиндра 2 перемещаются к крышке 8 и через отверстие 10 в ней попадают в контейнер-дозатор. После накопления в нем определенной их массы срабатывает весовой клапан 11 и вся масса металлических частиц ссыпается в приемный бункер 12. Клапан 11 закрывается и все повторяется сначала. Это дает возможность увеличить эффективность уноса неметаллических частиц. Угол наклона осей цилиндров 1 и 2 и угол установки на нем лопастей 13 выбирают из условия обеспечения высоких показателей эффективности и качества разделения исходного сырья. Из этих условий также подбираются скорости вращения шнека 16 и цилиндра 2. Одновременное вращение выходного и входного цилиндров 1 и 2 обеспечивает также перемещение частиц легкой и средней фракций (которые по тем или иным причинам сразу не попали в соответствующие патрубки 4 и 5), выпадающих вниз на внутреннюю поверхность выходного цилиндра 1, вверх и ссыпание их вниз, что обеспечивает повышение эффективности уноса частиц этих фракций. Для обеспечения поддержания оптимального режима или возможности регулирования аэродинамического режима разделения частиц при максимальных эффективности и качестве разделения исходного сырья выходной цилиндр 1 перемещают приводом возвратно-поступательного перемещения (на чертеже не показан) вдоль оси относительно входного цилиндра 2, тем самым уменьшая или увеличивая путь движения частиц и, соответственно, время пребывания их в зоне разделения. Наличие подшипникового узла 25 и соединения «шип-паз» обеспечивают осуществление осевого перемещения выходного цилиндра 2 относительно входного цилиндра 1 при их одновременном вращении.

Выполнение стенки 21 подвижной относительно загрузочного канала 18 дает возможность регулирования количества подаваемого исходного сырья на разделение.

В таблице приведены экспериментальные данные, полученные на опытной установке для разделения твердых частиц, содержащих металл, в воздушном потоке.

Из таблицы видно, что металлосодержащая часть отходов в выделенной тяжелой фракции составляет 97-98%, что является высоким показателем качества разделения смеси.

Таким образом, использование изобретения повысит эффективность и качество процесса разделения твердых частиц в газовом потоке, особенно при разделении металлосодержащих отходов электронного лома.

1. Способ разделения твердых частиц в воздушном потоке, преимущественно при выделении металлосодержащих отходов из электронного лома, включающий создание воздушного потока, в который вводят смесь исходного сырья с последующим его разделением и отводом выделившихся фракций, при этом тяжелую фракцию перемещают в направлении, противоположном движению воздушного потока, отличающийся тем, что разделение сырья осуществляют в пневматическом разделителе, выполненном из двух телескопических цилиндров, в котором твердые частицы перемещают по окружности порциями снизу вверх с помощью продольных лопастей, установленных на внутренней поверхности входного цилиндра, при этом тяжелую фракцию сбрасывают вниз и перемещают в направлении, противоположном движению воздушного потока к отверстию для выгрузки металлосодержащих отходов, и воздействуют дополнительным воздушным потоком.

2. Установка для разделения твердых частиц в воздушном потоке, преимущественно при выделении металлосодержащих отходов из электронного лома, содержащая пневматический разделитель твердых частиц с загрузочным бункером и приспособлением для подачи исходного сырья, патрубок, соединенный с атмосферой, патрубки вывода легких фракций и отверстие для вывода металлосодержащей фракции, средство создания воздушного потока и приспособление для регулирования аэродинамического режима разделения, отличающаяся тем, что пневматический разделитель выполнен в виде двух телескопических цилиндров, свободные торцы которых закрыты крышками, при этом цилиндры установлены с возможностью одновременного вращения относительно крышки на входном цилиндре, который снабжен приводом вращения, и вокруг своей горизонтальной оси, которая наклонена под углом вверх от входа к выходу пневматического разделителя, а внизу боковой стенки крышки входного цилиндра выполнено сквозное отверстие для вывода металлосодержащей фракции, причем телескопическое соединение выходного цилиндра с входным цилиндром образует приспособление для регулирования аэродинамического режима разделения, при этом приспособление для подачи исходного сырья размещено на крышке входного цилиндра, на внутренней поверхности которого установлены продольные лопасти, а патрубки вывода легких фракций установлены на крышке выходного цилиндра, снабженного приводом возвратно-поступательного перемещения.

3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что на крышке входного цилиндра в нижней части выполнено не менее одного сквозного отверстия, диаметр которого не превышает высоту продольных лопастей, а на ее оси размещена заслонка, установленная с возможностью перекрытия сквозного отверстия.

4. Установка по п.2, отличающаяся тем, что приспособление для подачи исходного сырья из бункера в пневматический разделитель выполнено в виде шнека, ось которого размещена горизонтально относительно пневматического разделителя.

5. Установка по п.2, отличающаяся тем, что одна стенка бункера выполнена наклонной, соединена с вибратором и установлена с возможностью перекрытия входа канала загрузочного бункера подачи исходного сырья.

6. Установка по п.2, отличающаяся тем, что по оси входного цилиндра установлен экран-отбойник.

7. Установка по п.2, отличающаяся тем, что продольные лопасти установлены под углом к образующей входного цилиндра и отогнуты по всей их длине по направлению его вращения.

8. Установка по п.2, отличающаяся тем, что выходной цилиндр расположен внутри входного цилиндра.

Источник