气流粉碎机_材料科学_工程科技_专业资料。气流粉碎机,分类及原理,参数设计等。

  第四节 气 流 粉 碎 机 1 气流粉碎机原理 ? 利用高速气流(300~500m/s)或过热蒸汽(300~400℃)的能量使 颗粒产生相互冲击、碰撞、摩擦剪切而实现超细粉碎,广泛应用于化工、 非金属矿物的超细粉碎,是最常用的超细粉碎设备之一。 ? ? (1)气流粉碎机的工作原理 将压缩空气通过拉瓦尔喷管加速成亚音速或超音速气流,喷出的射 流带动物料作高速运动,使物料碰撞、摩擦剪切而粉碎。 ? 被粉碎的物料随气流至分级区进行分级,达到粒度要求的物料由收 集器收集下来,未达到粒度要求的物料再返回粉碎室继续粉碎,直 至达到要求的粒度并被捕集。 (1)气流粉碎机的粉碎过程 ? 压缩空气或过热蒸汽通过喷嘴后,产生高速气流且在喷嘴附近 形成很高的速度梯度,通过喷嘴产生的超音速高湍流作为颗粒 载体。物料经负压的引射作用进入喷管,高压气流带着颗粒在 粉碎室中作回转运动并形成强大旋转气流,物料颗粒之间不仅 要发生撞击,而且气流对物料颗粒也要产生冲击剪切作用,同 时物料还要与粉碎室发生冲击、摩擦、剪切作用。如果碰撞的 能量超过颗粒内部需要的能量,颗粒就将被粉碎。粉碎合格的 细小颗粒被气流推到旋风分离室中,较粗的颗粒则继续在粉碎 室中进行粉碎,从而达到粉碎目的。 (2)气流粉碎机的特点 ? 优点:1) 80%以上的颗粒是依靠颗粒间的相互冲击碰撞被粉 碎的,只有不到 20%的颗粒是通过颗粒与粉碎室内壁的碰撞和 摩擦被粉碎。可以粉碎莫氏硬度为1~10的材料,经气流粉碎 后的物料平均粒度细,最细可以达到0.2μm,一般为0.5μm~ 20μm;粒度分布较窄,可以满足窄粒度分布产品粉的要求; ? 2 )由于压缩空气在喷嘴处绝热膨胀会使系统温度降低,颗粒 的粉碎是在低温瞬间完成的,从而避免了某些物质在粉碎过程 中产生热量而破坏其化学成分的现象发生,尤其适用于热敏性 物料的粉碎。加工温度低(小于气流温度),材料破碎时的应 变率高,可粉碎低熔点、热敏性和生物等材料。可粉碎低熔点 和热敏性材料及生物活性制品。 (2)气流粉碎机的特点 ? 3)气流粉碎纯粹是物理行为,既没有其它物质掺入其中,也 没有高温下的化学反应,因而保持物料的原有天然性质。颗粒 表面光滑,颗粒形状规整,纯度高,活性大,分散性好。 ? 4)因为气流粉碎技术是根据物料的自磨原理而实现对物料的 粉碎,粉碎的动力是空气。粉碎腔体对产品污染极少,粉碎是 在负压状态下进行的,颗粒在粉碎过程中不发生任何泄漏。只 要空气经过净化,就不会造成新的污染源。 ? 缺点:能耗较大,生产成本较高。 (3)气流粉碎机应用 第一类是只对细度有要求的粉,越细越好。如西药、中草药、 保健品、农副产品、海产品、AC发泡剂、灭火粉、非金属矿粉、刚玉、 金刚石、碳化硼、电气石、玻璃、荧光粉、树脂、石墨、稀土材料、 助剂、颜料、化妆品等; 第二类是对粒度分布有较高的要求,要求粒度分布窄。如磨料、 复印粉、激光打印粉、钴酸锂粉、猛酸锂粉等,气流粉碎机在这些行 业中能发挥很好的作用,其优越性是其他粉碎设备所不能替代的; 第三类是钕铁硼磁粉、金属微粉和黑索今微粉等,这类微粉一 般采用气流粉碎方法制备,其所用的气体都是惰性气体,如氮气等, 否则会有燃烧爆炸的危险。 2 气流磨分类 气流粉碎机的种类: ? ? ? ? ? 扁平式(也称圆盘式) 循环管式 单喷式(也称靶式) 对喷式 惰性气体粉碎机 扁平式气流粉碎机 ? 扁平式气流粉碎机,也 称圆盘式气流磨,是美 国 Fluid Energy公司在 1934年研制成功的。 扁平式气流粉碎机是工 业上应用最早和最广泛 的气流粉碎机,国外商 品名称Micronizer 。 ? 扁平式气流粉碎机(spiral jet pulverizer ) ? ? ? 工作原理: 待粉碎物料由文丘里喷嘴加速至超音速导入粉碎室内。 高压气流经入口进入气流分配室,分配室与粉碎室相通, 气流在自身压力下通过喷嘴时产生超音速甚至每秒上千米 的气流速度。 喷嘴与粉碎室成一锐角,故以喷射旋流粉碎室并带动物料 作循环运动,颗粒与机体及颗粒之间产生相互冲击、碰撞、 摩擦而粉碎。粗粉在离心力作用下被甩向粉碎室周壁作循 环粉碎,微细颗粒在向心气流带动下被导入粉碎机中心出 口管进入旋风分离器进行捕集。 ? 11 外壳 喷嘴 文丘里喷嘴 粉碎室 内衬 扁平式气流粉碎机工作原理图 扁平式气流粉碎机 ? ? ? 粉碎过程: 物料经加料口由喷射式加料器的喷嘴加速,导 入粉碎室,在旋转气流带动下发生相互碰撞、 摩擦、剪切而粉碎。 细粉被气流推到粉碎室中心出口管,在旋风分 离器中呈螺旋状运动缓降到贮斗中;废气由废 气排出管排出;粗粒在离心作用下被甩到粉碎 室周壁作循环粉碎。 扁平式气流粉碎机外形图 扁平式气流粉碎机 ? 优点:结构简单,操作方便,拆卸、清理、 维修容易,并能自动分级。 缺点:当被粉碎的物料速度较高时,随气流 高速运动与磨腔内壁会产生剧烈的冲击、摩 擦、剪切作用,导致粉碎室壁的磨损,并造 成粉体的污染,尤其是对于硬度很高的材料 (如碳化硅,氧化硅),磨损更严重。 ? 16 扁平式气流粉碎机 ? 注意: ? 粉碎室的内壁应选用超硬、高耐磨的材料制造。 例如刚玉、氧化锆、超硬合金等。 ? 扁平式气流磨不适合于超硬、高纯材料的超细 粉碎。 17 循环管式气流磨 ? ? ? 循环管式气流磨,又称 为立式环形喷射式气流 磨,也具有内分级作用。 循环管式气流磨可分为 等圆截面和变截面循环 管式气流磨。 其中用得最多的是JOM 系列(也称O型)变截 面循环管式气流磨。 循环管式气流粉碎机 ? 原料由文丘里喷嘴加入粉碎区,气流经一组喷嘴喷入不等径 变曲率的跑道形循环管式粉碎室,并加速颗粒使之相互冲击、 碰撞摩擦而粉碎。 旋流带动被粉碎颗粒沿上行管向上进入分级区,在分级区离 心力场的作用下使密集的料流分流,细颗粒在内层经百叶窗 ? 式惯性分级器分级后排出即为产品,粗颗粒在外层沿下行管 返回继续循环粉碎。 ? 循环管的特殊形状具有加速颗粒运动和加大离心力场的功能, 以提高粉碎和分级的效果。 ? 广泛应用于填料、颜料、金属、化妆品、医药、食品、磨料 以及具有热敏性、爆炸性化学品等的超细粉碎。 Fine Powder Classifier Coarse powder 文丘里Nozzle Comminuting Room Compressed Air 循环气流粉碎机工作原理图 20 循环管式气流磨 ? ? ? ? 物料颗粒高速进行粉碎区后,高压空气带动 颗粒沿管道运动。 由于管道呈O型,内外圈半径不同,内外层 物料运动路径及速度都不同。 各层物料颗粒之间产生相对运动,发生摩擦、 剪切、碰撞粉碎作用。 同时,由于离心力的作用,密集的颗粒流分 层,乐橙,粗粒处在外层,细粒在内层并向内聚集, 最后由排料口排出,粗粒则继续粉碎。 循环管式气流粉碎机外形图 22 循环管式气流磨 ? 特点: ? 粉碎室内腔截面不是真正的圆截面,循环管各 处截面也不等,而分级区和粉碎区的弧形部分 也不是圆周的一部分,即曲率半径是变化的。 ? 颗粒在粉碎室内能加速运动,离开粉碎室后能 减速上升,能加速颗粒在分级室内的运动,加 大离心力场,提高粉碎和分级效果。 23 循环管式气流磨 ? 优点: ? ? ? ? 主机结构简单,操作方便; 粉碎的同时具有自动分级功能; 主机设备体积小,生产能力大; 产品细度好,可至3~0.2μm。 ? 缺点: ? ? 气流与物料对管内壁的冲刷、磨损太严重,因 此不适合硬度较高的材料的细化。 粉碎效率是各类气流磨中最低的,能耗最大。 24 ? 扁平式和循环管式气流磨有一共同点,即第 一次撞击是物料在气流作用下,借助于管壁 或板实现的,以后的撞击才可能是颗粒之间 的撞击。 ? 对管壁的磨损和对产品的污染 ? 不可以加工较硬的物料 靶式气流粉碎机(Target Type Fluid Energy Mill) ? 利用高速气流挟带物料冲击在各种形状的靶板上进 行粉碎。除物料与靶板发生强烈冲击碰撞外,还发 生物料与粉碎室壁多次的反弹粉碎,因此,粉碎力 特别大,尤其适合于粉碎高分子聚合物、低熔点热 敏性物料以及纤维状物料。 ? ? 根据原料性质和产品粒度要求选择不同靶板形状。 靶板作为易损件,必须采用耐磨材料制作,如碳化 物、刚玉等 。 Impacting Target Feed 早期靶式气流粉碎机: 物料由加料管进入粉碎室,经喷 嘴喷出的气流吸入并加速,再经混合 Mixing Pipe 管进一步均化和加速后,直接与冲击 板(靶板)发生强烈碰撞。 为了更好地均化和加速,混合管 Jet Nozzle Comminuting Room 大多做成超音速缩扩型喷管状。粉碎 后的细颗粒被气流带出粉碎区,进入 位于冲击板上方的分级区进行分级, 早期靶板式气流磨结构 经分级的颗粒被气流带出机外捕集为 成品,粗颗粒返回粉碎区再行粉碎。 粉碎产品较粗,动力消耗也较大,因而应用受到限制。 27 靶式气流粉碎机 ? 工作原理: ? 粉碎物料在混合管中与高压气流相混合并加速, 高速冲击靶板而粉碎。 细粉随气流从出口排出,并进入分级器中分级; 粗粉返回加料斗重新导入粉碎室继续粉碎。 为了更好地混合和加速,混合器大多做成超音 速喷管状。 ? ? ⑥ ⑦ ① ② ⑥ ① ② ⑤ ④ ③ ⑤ ④ ③ (a)物料经过喷嘴 (b)物料不经过喷嘴 单喷式气流粉碎机的二种粉碎方式示意图 ? 优点: ? ? 简单、操作方便。 靶式气流粉碎机 粉碎力特别大,粉碎效率 高,尤其运用于低熔点、 热敏性物料以及高分子聚 合物的粉碎。 产品较粗,能耗大。 高速运动的物料颗粒和气 流对靶板有强烈的冲蚀作 用,靶板磨损严重,会造 成产品的污染。 ? 缺点: ? ? QBN450型靶式气流粉碎机 30 对喷式气流粉碎机 ? 对喷式气流粉碎机,又称逆向喷射磨,是 一种物料在超音速气流中自身产生对撞而 实现超细粉碎的装置。 ? 特点:利用相对运动的气流,乐橙颗粒从第一 次撞击开始就依靠相互之间的冲撞,减少 了对管壁的磨损和对产品的污染,可以加 工较硬的物料。 31 对喷式气流粉碎机 ? 对喷式气流粉碎机最早出现于德国,我国 从20世纪80年代初开始从国外引进该类粉 碎机,并自主开发、生产。 目前,国内用得较多的是特罗斯特型 (Trost Jet Mill)、马亚克型(MJP)和QLM 型等。 ? 32 对喷式气流粉碎机 ? 工作原理:物料由料斗进入,被加料喷嘴喷出 的高速气流喷入粉碎室,同时粉碎喷嘴将分级 室落下的粗粒喷入粉碎室,物料对撞并被粉碎 后,随气流上升至分级室。 在分级室,气流形成主旋流,使颗粒发生分级。 由于粗粉位于分级室外围,在气流带动下,退 回粉碎室进一步粉碎,细粉经中间出口排到机 外进行气固分离和产品回收。 ? ? Trost Jet Mill的工作 原理: 34 流化床对撞式气流粉碎机 ? 流化床对撞式气流粉碎磨: 将对喷原理与流化床中膨 胀气体喷射流相结合。 ? 流化床式气流粉碎机是德 国20世纪80年代的新产品, 主要生产厂家是德国Alpine 公司,美国、日本、中国 也有公司生产。 QLD流化床式气流粉碎机 35 ? 工作原理: 36 流化床对撞式气流粉碎机 ? ? 工件原理: 物料通过阀门进入料仓,螺旋将物料送入研磨室; 空气通过逆喷嘴喷入研磨室使物料呈流态化。 被加速的物料在各喷嘴交汇点汇合,在此,颗粒 互相冲撞、摩擦、剪切而粉碎。 粉碎的物料由上升气流输送至涡轮式超细分级器, 细粉产品经出口排出,较粗的颗粒沿机壁返回磨 矿室,尾气进入除尘器排出。 ? ? 37 流化床对撞式气流粉碎机 ? 粒子在高速喷射气流交点碰 撞,该点位于流化床中心。 靠气流对粒子的高速冲击及 粒子间的相互碰撞而使粒子 粉碎,与腔壁影响不大。 ? ? 磨损大大减弱。 流化床内对撞气流 交汇点示意图 ⑧ ⑦ ⑥ ⑨ ⑦ ⑧ ⑥ ⑤ ① ④ ③ ② ⑤ ① ④ ③ ② (a)物料经过喷嘴 (b)物料不经过喷嘴 流化床对喷式气流粉碎机的两种形式结构示意图 产品细度高(d50=3~10μm),粒度分布窄 且无过大颗粒;粉磨效率高,能耗低,产量大, 比其它类型的气流磨节能50%;采用刚玉、碳化 硅或PU(环)等作易磨件因而磨耗低,产品受 污染少,纯度高,可加工无铁质污染的粉体, 也可粉碎硬度高的物料; 结构紧凑,简单;噪音小;可实现操作自 动化。但造价较高。 ① ④ ③ ② ② ③ ④ ① (a)平面汇聚式 (b)空间汇聚式 流化床对喷式气流粉碎机的二种粉碎室结构形式示意图 41 流化床对撞式气流粉碎机 ? 优点: ? 粉碎效率高,能耗低: ? 气流带颗粒呈多角度对撞,作用力大,粉粒的 受力复杂,外加的能量被粉粒充分吸收,喷射 功损耗少; ? 把流化床原理与平卧式涡轮超细分级器相结合, 使细料及时排出,减少了因细粉过粉碎而损失 的能量。 ? 与圆盘式气流磨相比,平均能耗减少30~50% 。 42 流化床对撞式气流粉碎机 ? 磨损轻,污染少:从第一次撞击,粉粒主要是 进行相互之间的冲撞,对室外壁冲撞少。 设备体积小,占地面积少:在同等生产能力的 ? 前提下,流化床对撞式气流磨比圆盘式气流磨 体积减少10~15%,占地面积减少15~30%。 ? 自动化程度高,噪声小,生产能力大,适合于 大规模工业化生产。 43 流化床对撞式气流粉碎机 ? 缺点: ? 颗粒不断高速冲击分级叶片,在生产超硬粉粒时, 分级叶片的磨损仍很严重。 ? 应用:高硬物料、高纯物料、难粉碎层状非金 属矿、热敏性和密集气孔性物料等。 流化床对撞式气流粉碎机与靶式气流磨的区别 ? 利用一对或若干对喷嘴相对喷射时产生的超音速气流使 物料彼此从两个或多个方向相互冲击和碰撞而粉碎。 ? 由于物料高速直接对撞,冲击强度大,能量利用率高, 可用于粉碎莫氏硬度 10 级以下的各种脆性和韧性物料, 产品粒度可达亚微米级。 ? 还克服了靶式靶板和循环式磨体易损坏的缺点,减少了 对产品的污染,延长了使用寿命。 是一种较理想和先进的气流粉碎机。 ? 气流粉碎机生产线的基本构成 气流粉碎机生产线的基本构成示意图 ⑨ ⑥ ② ④ ① ③ ⑩ ⑤ ⑦ ⑧ 带有多个单气流分级器的气流粉碎机生产线示意图 惰性气体气流粉碎机 ⑩ ④ ② ③ ① ⑦ ⑥ ⑧ ⑦ ⑤ ⑦ ④ ⑤ ⑨ 典型的氮气气流粉碎机生产线 气流粉碎工艺参数的研究 ? 影响气流粉碎的因素 ? ? 粉料的物性 ? 硬度 ? 粘性 ? 进料粒度 粉碎时的工艺参数 ? 气体压力及流量的大小 ? 加料速度 3 气流粉碎工艺参数的研究 ? ? ? 气流粉碎机的参数研究包括几何参数和工 艺参数。 几何参数包括喷嘴直径、喷嘴与喷嘴(或 靶)间的轴向距离、粉碎室直径等。 工艺参数主要包括:原料初始粒度、分级 轮频率、工质压力(气流速度)、引射压 力(进料速度)等。 气流速度 ? 气流速度即为空压机所输送的气体通过喷嘴进入粉碎室时的速度。设 在高速气流中运动的颗粒,其质量为m,高速气流赋予它的运动速度 为w,则该颗粒所具有的动能为:E=0.5mw2。动能E只有一部分用于 物料颗粒的粉碎上,这部分的动能记为△E。当物料颗粒对着冲击板 或对着正在运动的其它颗粒发生冲击碰撞时,这部分能量用下式表示: ? 式中,wi——发生冲击碰撞时颗粒所具有的速度; ε——冲击碰撞后颗粒速度的恢复系数,ε1。 ? ? 假设脆硬性的物料颗粒是绝对弹性体,则颗粒冲击 破坏所需的功,可以表示为: 式中,σ——物料的强度极限; E ——物料的弹性模量; ρ——物料的密度; m ——颗粒的质量。 ? ? ? ? ? ? 显然,为了使物料颗粒发生粉碎,必要的条件是: ? 便可以求出使颗粒发生粉碎所必需的冲击速度wi: 进料速度(进料量) ? ? 进料速度是影响粉碎效果的重要参数之一。 进料速度主要由粉碎区的持料量决定。进 料速度的大小决定粉碎室每个颗粒受到的 能量的大小。当加料速度过小,粉碎室内 颗粒数目不多时,颗粒碰撞机会下降,颗 粒粒径变大;当进料速度过大时,粉碎室 内的颗粒浓度增加,每个颗粒所获得的动 能减少,导致由碰撞转变成颗粒粉碎的应 变能变小,颗粒粒径增加,颗粒粒度分布 大,因此寻找最佳进料速度是很重要的。 气流粉碎的持料量 ? 气流粉碎的持料量与粉碎区的颗粒体积浓度的 关系为: MH=V(1-ε)ρs+G 式中,M ——气流粉碎机的持料量,kg; H ? ? ? ? ? V——气流粉碎分级区中有效空间体积,m3; (1-ε)——气流粉碎分级区颗粒所占体积与气流所占体积的比值,即Vs/V; ρs——固体颗粒的密度,kg/m3; G——流化床气流粉碎区底部填料量,与流化床底部结构有关,kg。 ? 通过实验发现流化床气流粉碎机磨腔中的持料 量对粉碎效果和出料粒度的稳定性有重要影响, 持料量的大小与气流粉碎机的结构大小、底部 形状,粉碎物料的密度和流动参数相关。 分离距离 ? ? 两喷嘴末端的距离或喷嘴末端与靶的距离 称为分离距离。 对喷嘴-靶式粉碎机,随着分离距离的减小, 粉碎速度增大,颗粒粒径减小;对喷嘴-喷 嘴式粉碎机,颗粒尺寸随分离距离的增加 略有减小。但是经喷嘴喷射出的流体速度 的衰减很快,如果分离距离太大,粉碎室 里颗粒所获得的动能将会减少,所得的产 品粒径就会增加,影响了粉碎效果。 4 超声速原理 通常所说的音速指声波在空气中的传播速度 音速不是固定的,与传播介质的物性、热力状态有关 对理想气体,音速只与温度有关 a ? kR gT ? kPv 对实际气体音速a不仅与温度T 有关,还与气体的压力P或比体积v有关 水蒸气中的音速也借用上式计算,其中的k值按前述经验值选取 流道中气体热力学状态不断变化,沿程不同截面上音速各不相同,对特定截面一般都 强调为“当地音速”。 注意:1)声速是状态参数,因此称当地声速。 如空气, 0℃ -20℃ 20℃ =331.2m/s a =318.93m/s =343m/s a a Ma ? 1 亚声速 (subsonic velocity) c 2) Ma ? a 马赫数 (Mach number) Ma ? 1 Ma ? 1 声速 (sonic velocity) 超声速 (supersonic velocity) 4 超声速原理 工程上常有将气流加速或加压的要求。 气流的这种加速或扩压过程可以仅利用气流的热力学状态或运动状态变化来 实现,无需借助其它机械设备 ⑴ 流速改变与压力变化的关系 对于流体可逆流动,过程的技术功可表达为 1 2 dwt ? ?vdP ? dc ? gdz ? dws 2 管道中流动气流不作轴功,忽略重力位能变化 0 0 1 2 ? vdP ? dc ? gdz ? dws 2 1 2 ? vdP ? dc 2 dc v kP ? ? 2 dP ? c c kP cdc ? ?vdP a 2 ? kPv dc kPv a 2 dP 1 dP ?? d P ? ? ? ? c kPc 2 kc2 P kM 2 P dP dc ? ?kM 2 P c 讨论中的流体流速c一般应为正值,k、M2 也是正值 式中dc与dP反号 气体的流速变化与其压力的变化方向相反 气流加速c↑ 压力P↓ 反之亦然 2018/5/6 58 ⑵ 喷管和扩压管 喷管 ——气流通过后能令气流P↓,c↑的流道 扩压管 ——气流通过后能令气流P ↑ ,c ↓ 的流道 ⑶ 流速改变与流道截面积变化的关系 气流速度与压力的反方向变化需通过管道截面积有规律地变化来促成 。 根据气体流动的连续性方程及绝热过程方程 dA dv dc ? ? A v c dv ? 1 dP ? v k P dA 1 dP dc ?? ? A k P c dA 1 dP dc ?? ? A k P c dP dc ? ?kM 2 P c 0 dA dc dc dc ?M2 ? ? (M 2 ? 1) A c c c 对于亚音速流(M1) 气体的流速将随流道截面积反向变化 喷管——渐缩状 扩压管——渐扩状 喷管(A↓,c↑) 亚音速流 (M1) 扩压管(A↑,c↓) 亚音速流 (M1) 对于超音速气流(M1) 气体的流速将随流道截面积同向变化 喷管——渐扩状 dA dc dc dc ?M2 ? ? ( M 2 ? 1) A c c 0 c 扩压管——渐缩状 喷管(P↓,c↑) 超音速流 (M1) 扩压管(P↑,c↓) 超音速流 (M1) 根据以上讨论,显然渐缩喷管只能将气流加速至音速。 气流在渐缩喷管出口截面上达到当地音速时,对应有一极限出口压力P2,此后,任由 喷管出口外的介质压力Pb下降,喷管出口截面上的气流压力仍维持为P2。 若想令气流从亚音速加速至超音速 喷管截面积应先收缩,后扩大 ——缩放喷管,亦称拉伐尔喷管 c=a 气流在缩放喷管的喉部处达到当地音速 拉伐尔喷管 (2)超音速喷嘴的设计 对可压流动来说,如想让气流沿管道轴线连续的从亚声速加速到超 音速,即始终保持速度总是增加的,则管道应该先收缩后扩张,中间 为最小截面,即喉道。这种形状的管道称为拉瓦尔喷管。 (2)超音速喷嘴的设计 d* d* (a)亚音速射流喷嘴 (b)音速射流喷嘴 (c)超音速射流喷嘴 常用射流的喷嘴形式 d * (2)超音速喷嘴的设计 超音速喷嘴一般有四部分构成:稳定段、亚音速渐缩段、喉部临 界截面和超音速扩散段,如图所示。这四部分应当用光滑圆弧相连 接,构成一个光滑的内腔型面。 l0 l1 l2 超音速喷嘴结构示意图 d2 d1 d? 气流的三种参考状态 ? 声速计算公式a= KRT 当中,对于定熵过程的流体,流体的温度 T与流体速度V是相关的,即T是V的函数,亦即声速a也是V的函数 a=f(v)。因此可以把a和v放在一个坐标系上表示: 亚音速 滞止状态 2KRT0 K ?1 临界状态 超音速 极限状态 o ? 2KRT0 K ?1 2 2KRT0 K ?1 v V 已知任意状态计算滞止状态的参数: 1 2 ? K K RT ? RT0 K ?1 K ?1 喷嘴的基本类型(1) ? 气流速度与通道截面的关系 dA dV ? ( M 2 ? 1) A V ? M<1时,dA/A与dV/V异号,流速与截面积变化反向,截面积变小,速 度变大; ? M>1时,dA/A与dV/V同号,流速与截面积变化同向,截面积变大,速 度变大; ? M =1时, dA/A=0,临界状态发生在通道截面无变化的地方。 喷嘴的基本类型(2) 1、渐缩喷嘴 dA dV ? 0, ?0 A V 2、出口为临界参数的渐缩喷嘴 dA dV ? 0, ?0 A V 3、缩放喷嘴(拉瓦尔喷嘴) dA dV ? 0, ?0 A V dA dV dA dV ? 0, ?0 ? 0, ?0 A V A V 喷嘴的选择 1、已知滞止参数和出口速度或马赫数 a:M≤1选择渐缩型喷嘴 b:M>1选择缩放型喷嘴 2、已知滞止参数和出口压力Pe K P 2 * 临界压力与滞止压力的关系: ? ( ) K ?1 P0 K ?1 a: Pe ? P* P0 P0 b: Pe ? P* P0 P0 选择渐缩型喷嘴; 选择缩放型喷嘴。 喷嘴各截面参数的计算(1) 1、任意截面状态与滞止状态的关系 K T0 K ?1 2 P0 K ? 1 2 K ?1 ? 1? M ? (1 ? M ) T 2 P 2 2、临界状态与滞止状态的关系 1 ?0 K ? 1 2 K ?1 ? (1 ? M ) ? 2 T* 2 ? T0 K ? 1 P* 2 KK?1 ?( ) P0 K ?1 1 ?* 2 K ?1 ?( ) ?0 K ?1 V* ? 2 KRT0 K ?1 3、任意截面与临界状态的关系 T K ?1 ? T* 2 ? ( K ? 1) M 2 1 V K ?1 ? M[ ]2 2 V* 2 ? ( K ? 1) M K P K ?1 K ?1 ?[ ] 2 P* 2 ? ( K ? 1)M 1 ? K ?1 K ?1 ?[ ] 2 ?* 2 ? ( K ? 1)M A 1 2 K ? 1 2 2( K ?1) ? [ (1 ? M )] A* M K ? 1 2 K ?1 参数计算(2) 1、已知滞止参数及出口速度 通过V/V*的关系求M,进而计算所有参数 2、已知滞止参数及出口马赫数 根据马赫数可求出所有截面的参数 3、已知滞止参数及出口压力 通过出口压力与滞止压力的关系求出出口截 面马赫数,进而计算出口截面参数 例子:一台蒸汽喷射器的喷嘴,使用的蒸汽压力P0=1.0MPa,T0=200℃,流量Q=2kg/s, 要求出口压力50000Pa。求喷嘴主要参数。 3 过热蒸汽绝热指数1.30,气体常数0.4615 kj.kg ?1,蒸汽密度 4.6083 kg / m 。 .k ?1 ? 第一步:选择喷嘴类型 1.30 K ? 1、计算临界压力比 P* ? ( 2 ) K ?1 ? ( 2 )1.30?1 ? 0.5457 ? ? P0 K ?1 1.30 ? 1 Pe 50000 Pa P ? 0.05 ? * ?需采用拉瓦尔喷嘴 0.5457 2、计算出口压力比 P0 ? 1000000 Pa P0 第二步:计算出口马赫数 Me ? ? P ? K ?1 2 2 [( e ) K ? 1] ? (0.05 1.30 ? 1) ? 2.5773 K ? 1 P0 1.30 ? 1 1.30 ?1 ? 第三步:计算出口截面参数 ?e ? 0.4600 kg / m3 第四步:计算临界截面参数 Pe ? 0.5457MPa ? ? 2.8921 kg / m3 e 第五步:计算几何尺寸 Q 2 A* ? ? ? 1391 .9018 m m2 ?*V* 2.8921? 496.8303 Pe ? 50000 Pa; Te ? 237.0050 K Ve ? 971.8545 m/ s ? Te ? 411.4348K d* ? Ve ? 496.8303 m/ s 4 A* ? ? ? 4 ?1391 .9018 ? 42.0977m m 3.1416 Ae ? Q 2 ? ? 4473 .7418 m m2 ?eVe 0.4600? 971.8545 de ? 4 Ae ? ? 4 ? 4473 .7418 ? 75.4727m m 3.1416 ? 简图 4.颗粒在射流中的特性分析 ① 射流压力 已知喷嘴内部任意截面处的压强P1可以表达为 P1 ? k ? 1 2 ? ? ?1 ? M1 ? P0 ? 2 ? ?k k ?1 其中,P0是总压(滞止压强),M1是喷嘴内部任意截面处 的马赫数,k是工质的绝热指数,对于空气而言,k=1.4。 对射流由喷嘴喷出后的情况进行分析。Pe是周围流体的压强P2 是截面2的压强。 2 3 u2 k P2 k Pe ? ? 2 k ?1 ? k ?1 ? 2 u2 p2 u3 ? 0 p3 ? pe 喷嘴出口 2 3 很明显,P2Pe,而且速度u2越大,压强P2越小。 ② 射流温度 已知喷嘴内部任意截面处的温度T1可以用下式来表示 T1 ? k ? 1 2 ? ? ?1 ? M1 ? T0 ? 2 ? ?1 公式说明射流在经喷嘴加速的过程中温度会降低,这种现象被 称为焦耳-汤姆逊效应,或节流效应。这是气流粉碎的一大特点, 它对于粉碎低熔点(或低软化点)和热敏性物料是非常有益的。 ③喷管(nozzle)计算 通常依据喷管进口处的工质参数 (P1、t1)和背压(Pb),并在给定流率的条件下进行喷管的 设计计算 设计计算的目的在于确定喷管的形状和尺寸 校核计算的目的则在于预测各种条件下的喷管工作情况,即确定不同情况下喷管的流 量和出口流速 1) 流速计算 2) 流量计算 i喷管出口速度 对喷管,由能量方程 1 2 1 2 h0 ? h1 ? c1 ? h2 ? c2 2 2 c2 ? 2?h0 ? h2 ? ? 2(h1 ? h2 ) ? c12 一般喷管进口处的气流速度远小于出口速度(c1 c2) c2 ? 2(h1 ? h2 ) ? 1.414 h1 ? h2(任何工质,不论可逆与否) h0、h1、h2分别取决于喷管进、出口处气流的热力状态 对于定比热容理想气体 ?h ? cP ?T k cp ? Rg k ?1 ii初、终状态与流速的关系 对于定比热容理想气体、 可逆绝热流动过程 c2 ? 2(h0 ? h2 ) ? 2cP (T0 ? T2 ) ? 2 k Rg (T0 ? T2 ) k ?1 k ?1 k T2 k P2 k ? 2 RgT0 (1 ? ) ? 2 RgT0 [1 ? ( ) ] k ?1 T0 k ?1 P0 或 k P2 c2 ? 2 P0 v0 [1 ? ( ) k ?1 P0 k ?1 k ] 式中T0、P0、v0为滞止参数,取决于气流的初态 喷管出口流速c2取决于气流的初态及气流在出口截面上的压力P2对 滞止压力P0之比 当初态一定时,c2则仅取决于(P2/P0) c1较小时,可用喷管进口压力P1代替P0 c2随(P2/P0)的变化关系如图示 (P2/P0)=1时,c2=0 气体不会流动 (P2/P0)从1逐渐减小时,c2增大 初期增加较快,以后则逐渐减缓 理论上当 P2=0时,c2将达到 c2,max k P2 k c2 ? 2 P0v0 [1 ? ( ) ] k ?1 P0 k ?1 k k c2,max ? 2 P0v0 ? 2 RgT0 k ?1 k ?1 实际上,P2→0时,比体积v2→∞ 要求喷管出口截面无穷大 此流速不可能达到 c2随(P2/P0)的变化关系 iii临界流速和临界压力比 缩放喷管的最小截面处称为喷管的喉部 气流在喉部截面处达到当地音速 ccr=a ——临界流速(ccr) 缩放喷管 该截面称为临界截面,截面上的气流参数相应称为:临界压力Pcr、临界比体积vcr…… 临界流速ccr与临界压力Pcr应有以下关系: Pcr k c cr ? 2 P0 v 0 [1 ? ( ) k ?1 P0 Ccr等于当地音速a k ?1 k ] 两式合并 ccr ? a ? kP cr vcr Pcr k 2 P0 v0 [1 ? ( ) k ?1 P0 k ?1 k ] ? kPcr vcr 由过程方程 P0 k vcr ? v0 ( ) Pcr 1 Pcr k k 2 P0 v0 [1 ? ( ) ] ? kPcr vcr k ?1 P0 k ?1 k ?1 k k ?1 定义 P P k 2 P0 v0 [1 ? ( cr ) k ] ? kP0 v0 ( cr ) k ?1 P0 P0 P 临界压力比 ? cr ? cr P0 气流速度达到当地音速时的压力与滞止压力之比 上式整理,得 k 2 [1 ? ? crk ] ? ? crk k ?1 2 k ?1 ? cr ? ( ) k ?1 k ?1 k ?1 以上为定比热容理想气体可逆绝热流动过程的分析结论 2 k ?1 ? cr ? ( ) k ?1 临界压力比βcr仅与气体的热容比k有关 ——仅取决于气体的性质; k 对双原子气体k=1.4,临界压力比βcr=0.528 对变比热容理想气体——k值应按平均比热容确定; 对水蒸气——k为经验数值而非热容比 如取: 过热汽的k=1.3,则βcr=0.546 干饱和汽k=1.135,则βcr=0.577 概括起来,气体的临界压力比βcr接近等于0.5 临界压力比βcr是喷管中流体流动从亚音速过渡到超音速的转折点。 2 k ?1 ? cr ? ( ) k ?1 临界压力比下气流达到当地音速 k P k c2 ? 2 P0 v0 [1 ? ( 2 ) k ?1 P0 ——临界流速 k ?1 k ] ccr ? 2 k k P0v0 ? 2 RgT0 k ?1 k ?1 对给定的定比热容理想气体 ( k 值一定 ), 临界流速ccr仅取决于滞止参数 P0、v0,或 滞止温度T0 由于滞止参数可由初参数确定 临界流速仅取决于进口截面上的气流初参数 2)流量计算 由连续性方程知,对流道任一截面质量流率 相同 在喷管出口截面处 P k c2 ? 2 P0 v0 [1 ? ( 2 ) k ?1 P0 k ?1 k ] Ac ?? 2 2 m v2 经整理可得 1 P ? ( 2 ) k A2c2 v0 P0 1 1 P ? ( 2 )k v0 P0 1 ? ? A2 m k P0 2 k ? 1 v0 2 k ?1 ? P2 k P2 k ? ?( ) ? ( ) ? P0 ? P0 ? 对于一定的喷管,当进口气流状态一定时 流量仅取决于(P2/P0) 它们的依变关系如图所示 ? ? A2 m k P0 2 k ? 1 v0 2 k ?1 ? P2 k P2 k ? ?( ) ? ( ) ? P0 ? P0 ? i渐缩喷管工作情况 背压——喷管出口外的介质压力Pb Pb P2 当背压Pb高于临界压力Pcr时 Pb ↓ 到达临界压力比?cr时 Pb=P2 =Pcr =?cr? P0 P2 ↓ , ? ↑且有Pb=P2 m ? cr ? Pcr P0 出口达到临界流速ccr,即当地音速 流量随(P2/P0)的变化关系 此后,背压Pb如再降低,由于渐缩喷管中流道截面积 始终是收缩的,气流截面不可能得到扩展,任由背压下 降,喷管的出口压力将仍然保持为 P2=Pcr,气流的膨胀、 加速也就到此为止,即渐缩喷管的最大出口速度就是当 地音速 Pb P2 随出口流速c2↑ → ccr 流量随(P2/P0)的变化关系 ? m ? max m k 2 k ?1 P0 2 ( ) k ?1 k ?1 v0 2 P 2 k ?1 ? cr ? cr ? ( ) P0 k ?1 2 k ?1 k P0 P2 k P2 k ? ? A2 2 m [( ) ? ( ) ] k ? 1 v0 P0 P0 k ? max ? A2 m ii缩放喷管工作情况 在 PbPcr 的情况下,为了使气流能够充分膨胀实现从亚音速 到超音速的过渡,此时应采用缩放喷管 Pcr Pb P2 喷管喉部处的压力为临界压力Pcr,流速为当地音速a 从喷管的收缩段看来,喉部截面上的流量为前述按喉部截面积Amin所确定的最大流量 按连续性方程,缩放喷管所有截面上的流量应该都等于其喉部截面上的流量 对于缩放喷管,尽管当背压Pb继续降低时其出口截面上的 气流速度会增大,但流量却不会增加,将始终等于上述最 大流量值 5 气流粉碎机中的分级器 ? (a)直叶片 (b)斜叶片 (c)弧形或折叶片 (d)柱形叶轮分级器外形 (e)锥形叶轮分级器外形 离心叶轮分级器的常用结构形式 90 6 气流粉碎系统 ? 在气流粉碎工艺系统中,包括气流磨、气流产生设备、气 流净化和处理设备、加料装置、成品收集设备、废气流夹 带物料的捕集回收设备等辅助设备。 ? 常温空气气流粉碎系统 过热蒸汽气流粉碎系统 流化床对喷超细粉碎工艺系统 ? ? ? 易燃易爆物料的气流超细粉碎系统 超声速靶式气流粉碎工艺系统 ? 常温空气气流粉碎系统 ? 空气压缩机送出一定温度的压缩空气,经冷却 器冷却后,压入贮气罐,再在干燥器中除油、 除水,成为纯净的常温压缩空气。然后分为两 路,一路进入喷射式加料器,使粉粒加速,另 一路进入气流磨。 被粉碎后的细粉落入成品输送器输出。废气带 走的物料颗粒经旋风分离器预捕集和布袋捕集 器捕集后,其中成品也落入成品输送器中,废 气则由通风机排空。 ? 常 温 空 气 气 流 粉 碎 系 统 7 气流粉碎机的评价与选择 ? ? 气流粉碎机是国内研究生产最多的超细粉碎设 备,机型也是所有超细设备中最为齐全的。 优点: ? ? ? 气流磨为干法生产,省去了烘干工艺,工艺流程相 对较简单。 具有生产能力大、连续、自动化程度高,产品性能 稳定。 适用范围广:既可用于莫氏硬度不大于9的高硬度 物料的超细粉碎,又可用于热敏、低熔点及生物活 性制品的粉碎。 7 气流粉碎机的评价与选择 ? 优点: ? ? ? 产品粒度分布范围窄。扁平式、对撞式、循环式气 流磨,在粉碎过程中由于气流旋转离心力的作用, 能使粗、细颗粒自动分级;其它类型的气流磨也可 与分级机配合使用,能获得粒度均匀的产品。 系统温度低,气流磨通过压缩空气形成高速气流, 压缩气体在喷嘴处绝热膨胀会使粉碎机温度下降, 所以粉碎过程温度不会太高。 可在粉碎的同时,实现物料干燥、表面包覆与改性。 7 气流粉碎机的评价与选择 ? 缺点: ? 制造成本高,一次性投资大,能耗高,粉体加工成 本大。 ? Alpine公司的流化床气流磨AFG,以压缩空气为 介质时,生产锆英矿d975μm,能耗为 4500kW/t;d9710μm,能耗为1400kW/t 。 ? 难以实现亚微米级粉碎:产品粒度小于10μm时, 成本大幅度上升,产量急剧下降,在非金属矿粉碎 上的应用受到了限制。 7 气流粉碎机的评价与选择 ? 相比较而言,流化床对撞式气流粉碎机比其它 几种气流磨具有明显的优势,主要体现在节约 能量、加工能力强、磨损小、结构紧凑、体积 小、温升少等方面,可视为当前最为先进的机 型。目前,国内已有部分厂家能够生产。 考虑到气流磨能耗高、生产成本高的特点,在 电费较高的地区或生产低附加值产品时建议不 要采用气流磨。 ? JZL系列流化床气流粉碎分级机 ---四川巨子超微科技有限公司 JZL-X00流化床气流粉碎分级机标配机型详细典型参数 装机功率 (单位:KW) 型 号 JZL-100 JZL-200 分级机 1.1 2.2 引风机 5.5-7.5 7.5-11 配套空压机 m3 /min 3 6 空压机 总装功率 功率 11 37 ≈20 ≈50 JZL-300 JZL-400 JZL-600 4 5.5 7.5 11-15 18.5-30 37 10 20 40 55 132 264 ≈75 ≈160 ≈210 JZL-X00流化床气流粉碎分级机的相关参数 型 号 JZL-100 JZL-200 JZL-300 JZL-400 JZL-600 进料粒度 出料粒度 ?m mm 1 2 3 5 5 2-200 产量 kg/h 3-20 8-40 20-150 80-500 设备体积 m3 3×1×1.8 4×1×2.5 6×2×3 8×2.2×5 设备重量 t ≈0.7 ≈1.5 ≈3 ≈5 ≈7 200-1000 11×2.2×5 思考题 ? 气流磨的基本工作原理是什么? 气流磨可分为哪几种类型?各自的显著特 点是什么? ?