ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ ОКАТЫШЕЙ НА СКОРОСТЬ ДВИЖЕНИЯ ГАЗА В СЛОЕ И ЕГО СОПРОТИВЛЕНИЕ.

Плотный дисперсный слой представляет собой систему с весьма сложными и многообразными характеристиками. Характеристика материала предполагает знание формы элементов, их общего числа в единице объема, линейных размеров всех зерен и их взаимного расположения.

Важно для слоя плотного дисперсного материала укладка в какой-либо определенной координации относительно главных осей аппарата, но при беспорядочной загрузке в аппарат она мала.

Порозность слоя зависит от формы элементов слоя, состояния их поверхности, характер их упаковки в слое.

Порозность  – отношение объёма газа, находящегося в слое между дисперсными частицами, к объёму слоя:

где V_с – объем сплошной фазы газа;V_д – объем дисперсной фазы (материала в слое);  – объемная доля дисперсной фазы.

Для монодисперсного слоя сферических частиц наиболее плотная упаковка соответствует гексагональной упаковке с ε = 0,259. В случае кубической – ε = 0,476. При случайной упаковке сферических монодисперсных частиц ε = 0,38÷0,47. В полидисперсных слоях могут наблюдаться меньшие значения порозности.

Для этого надо измерить плотность материала частиц ρ_ч и насыпную плотность материала частиц в слое ρ_н.

Порозность слоя – безразмерная величина и может еще определяться по формуле:

                                        (1)

где ρ_н – насыпная плотность материала, кг/м³; ρ_к – объемная (кажущаяся) плотность дисперсных зерен, если дисперсные частицы представляют собой сплошную фазу (не пористые), то объемная плотность равна истинной плотности.

При проведении гидродинамических расчетов пользуются величиной среднего диаметра частиц. Так, для слоя, состоящего из шаров различных размеров с весовым содержанием x_i, частиц диаметром d_i их средний диа­метр определяется как средневзвешенная величина. Для полидисперсных систем средний диаметр зерен можно определить, как

        .                                 (2)

где x_i – массовая доля частиц с диаметром d_i.

Средняя скорость, рассчитанная на все сечение зернистого слоя. Обозначая величину сечения аппарата S (м²), объемный расход Q (м³/с), имеем среднюю скорость

                   .                          (3)

где S – площадь сечения сосуда с материалом, м²

Истинная средняя скорость потока в пространстве между зернами определится как

                           .                        (4)

где ε –порозность слоя

Для монодисперсного слоя, состоящего из шарообразных частиц диаметром d эквивалентный диаметр каналов, по которым проходит газ в слое равен:

                      (5)

где d- это средний размер частиц

Гидравлическое сопротивление слоя зернистого материала (потеря напора в слое) может быть определено по уравнению Дарси-Веисбаха:

                   ρ                 (6)

где: w_K - скорость потока в сечении каналах, Н - высота слоя: d_K - эквивалентный диаметр каналов; р – плотность среды; λ- коэф­фициент гидравлического сопротивления.

В зависимости от скорости меняется и перепад давления. А при изменении скорости меняется и число Рейнольдса. Поэтому перепад давления еще можно определить, используя критерий(число) Рейнольдса (табл. 1).

Таблица 1

Уравнение перепада давления в плотном слое

Критерий Рейнольдса может быть определен для данного случая:

                                         (7)

где ρ –плотность газа, проходящего через слой; μ –коэффициент динамической вязкости газа в системе СИ.

2. Описание и принцип действия установки

Схема лабораторной установки для исследования гидравлического сопротивления слоя гранулированного материала представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Установка для исследования скорости материала от гранулометрического состава сыпучего материала. 1-емкость с сыпучим материалом, 2- нагнетатель газа,3-ротаметр,4-соединительная муфта емкости и ротаметра,6- манометр, показывающий разность давлений в слое окатышей,7-подставка,8-шпильки, поддерживающие емкость в вертикальном положении нагнетатель

Емкость заполняется сыпучим материалом, продувается сверху газом из нагнетателя через расходомер, с помощью соединения с муфтой и регистрируется перепад давления в слое сыпучего материала с помощью манометра. По полученным данным рассчитывали коэффициент сопротивления слоя дисперсного материала, скорость движения газа в зависимости от гранулометрического состава сыпучего материала и способа распределения гранул.

3.Порядок проведения работы

1. Рассеять окатыши по классам и выделить классы: +5-8мм и +12-16мм по 1 кг.

Эти два класса окатышей будут использоваться в последующих испытаниях при определении сопротивления слоя и коэффициента сопротивления слоя.

2.Аккуратно снять муфту, придерживая цилиндр наклонить его и аккуратно ссыпать по поверхности стенки материал, чтобы он не бился о стенки, заполнить емкость дисперсным материалом класса +5-8мм (до отметки 70), взвесить оставшуюся часть. Разницу между исходной массой и оставшиеся массой пробы записать в таблицу 6 – это масса материала, находящегося в цилиндре.

3. Заполнив цилиндр до отметки 70, аккуратно поставить его на место, придерживая. Затем, очень аккуратно поставить на место муфту, закрепив болтами.

4. Проверить соединение нагнетателя и манометра с емкостью. Необходимо, чтобы трубки от манометра были в своих гнездах. Конец верхней трубки должен быть виден в последнем отверстии белой вертикальной трубки, находящейся в материале.

5. Соединить ротаметр и муфту, вставив в гнездо соединительный патрубок.

6. Включить нагнетатель, установить расход 250л/мин , начать продувку слоя.

7. Зафиксировать значения показаний манометра в обоих коленах (при установлении уровней в жидкости в трубках), записать значения в таблицу 6.

8. Изменить расход газа до 500л/мин, открывая кран на нагнетателе.

9.Повторить испытания с пункта 6 с расходом 500л/мин.

10. Выключить нагнетатель, и убрать из гнезда патрубок. Осторожно снять муфту, аккуратно наклонив емкость высыпать окатыши размером в пустой сосуд.

11. Поставить на место емкость, проверить все соединения и взять материал класса +12-16мм, взвесить, и аккуратно заполнить емкость до отметки 70.

12. Процедуру повторить, начиная с пункта 2 по 7.

13. Пробы классов +5-8мм и +12-16 мм разделить пополам, и засыпать сначала меньший класс до половины цилиндра, затем класс+12-16мм до отметки 70.

14. С пункта 2 по 7 повторить все действия.

15. Аналогично провести измерения с материалом классами +12-16мм и +5-8мм, но сначала заполнив первую половину большим классом окатышей, а вторую меньшим классом.

16. Выполнить пункты 2-7 с засыпанным материалом.

17. Перемешать материал двух классов равномерно и засыпать в емкость.

18. Провести действия со 2 по 8 пункты с засыпанным материалом. Все результаты занести в таблицу 2.

Таблица 2.

Данные измерений

4.Обработка результатов эксперимента

4.1 Произвести расчет скорости потока газа в слое в зависимости от порозности слоя и расхода газа.

4.1.1 Определить значения среднего диаметра сыпучего материала для каждого эксперимента по формуле

4.1.2 Рассчитать значение плотности воздуха (ρ_г) в слое с учетом температуры и давления по формуле:

.

где Т – температура проведения опыта, К;

Р₀ – атмосферное давление воздуха (по барометру), Па;

Р_s – среднее давление в слое, Па.

P_s = P₀ + ∆P

∆P определяется по манометру для слоя (для каждого класса брать средние значения перепада давления в слое).

4.1.3 Рассчитать объем цилиндра по измеренным геометрическим размерам V=3,14*R²*H

4.1.4 Рассчитать насыпную плотность материала.

4.1.5 Рассчитать порозность слоя в каждом опыте, учитывая что плотности окатышей: истинная -4930 кг/м³ и кажущаяся 3680 кг/м³я.

4.1.6 Определить среднюю скорость потока в слое.

4.1.7 Рассчитать истинную скорость потока в слое.

4.1.8 Все расчеты сделать в отчете и заполнить таблицу 3.

4.2. Расчет коэффициента газодинамического слоя материала.

4.2.1 .Определить число Рейнольдса.

4.2.3.В соответствии с числом Рейнольдса подобрать формулу перепада давления в слое в таблице 1.

4.2.4 Определить перепад давления по выбранной формуле и сравнить с измеренным.

4.2.5 Найти коэффициент сопротивления слоя на основе измеренных значений перепада давления, и занести в таблицу2.

4.2.6 Определить относительное отклонение рассчитанных и экспериментальных значений перепада давления в слое для различных опытов. Расчеты погрешностей представить в отчете.

При этом относительное отклонение:

.

1. .Все расчеты провести подробно и результаты записать в таблицу3.

Таблица 3.

Расчетные данные

4.3 Построить графики или диаграммы.

-зависимости перепада давления в слое от гранулометрического состава материала и порозности слоя.

-зависимости ∆Р экспериментального и расчетного от гранулометрического состава материала.

-зависимости скорости движения газа в слое от гранулометрического состава.

4.4 Сделать выводы:

- каково распределение гранулометрического состава пробы – насколько однороден дисперсный состав материала.

-о влиянии гранулометрического состава на перепад давления.

-о влиянии гранулометрического состава на скорость движения газа в слое и газодинамическое сопротивление слоя.

Контрольные вопросы:

1. Что такое порозность плотного слоя?

2. Как определить средний диаметр класса дисперсного материала?

3.Как определить средневзвешенный диаметр материала?

4. Как определить перепад давления в слое и от чего он зависит?

5.Как определить число Рейнольдса и от чего оно зависит?

6.Как определить перепад в слое экспериментально?

7.Как рассчитать перепад в слое?

8. Как влияет гранулометрический состав материала на коэффициент сопротивление слоя?

9.Как влияет гранулометрический состав дисперсной фазы на скорость движения газа в плотном слое?

Список литературы:

1. Тимофеева А.С. Гидродинамика двухфазных систем: Учебное пособие.-Старый Оскол: ООО «ТНТ»,2014.-264 с.
2. Тимофеева А.С., Федина В.В. Справочник теплофизика-металлурга: уч.пособие.- Старый Оскол: Из-во кпц «Роса», 2008.-280 с.