Эффект выброса твердых частиц из турбулентной пленки суспензии
Экспериментально обнаружен эффект выброса твердых частиц из турбулентного пленочного потока суспензии. Выброс частиц начинается при достижении порогового значения числа Рейнольдса, причем чем меньше размер частиц, тем больше пороговое значение. Опыты проведены на вертикальном цилиндре как в лаборато...
Збережено в:
| Дата: | 2014 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2014
|
| Назва видання: | Доповіді НАН України |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88634 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Эффект выброса твердых частиц из турбулентной пленки суспензии / Е.С. Лапшин, А.Ф. Булат, Б.А. Блюсс // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2014. — № 12. — С. 58-63. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-88634 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-886342015-11-19T03:02:03Z Эффект выброса твердых частиц из турбулентной пленки суспензии Лапшин, Е.С. Булат, А.Ф. Блюсс, Б.А. Механіка Экспериментально обнаружен эффект выброса твердых частиц из турбулентного пленочного потока суспензии. Выброс частиц начинается при достижении порогового значения числа Рейнольдса, причем чем меньше размер частиц, тем больше пороговое значение. Опыты проведены на вертикальном цилиндре как в лабораторных, так и промышленных условиях. Эффект может быть использован в различных отраслях для очистки жидкостей от инородных включений и апробирован в технологиях переработки минерального сырья. Експериментально виявлено ефект викиду твердих частинок з турбулентного плiвкового потоку суспензiї. Викид частинок починається при досягненнi порогового значення числа Рейнольдса, причому чим менше розмiр частинок, тим бiльше порогове значення. Дослiди проведено на вертикальному цилiндрi як в лабораторних, так i промислових умовах. Ефект може бути використаний у рiзних галузях для очищення рiдин вiд стороннiх включень i апробований в технологiях переробки мiнеральної сировини. The effect of the emission of solid particles from the turbulent flow of a slurry film is experimentally observed. The particle emission begins, when the threshold value of the Reynolds number is attained. The smaller the particle size, the greater the threshold value. The experiments were carried in a vertical cylinder both under laboratory and industrial conditions. The effect can be used in various branches for the purification of liquids from foreign inclusions and was tested in mineral processing technologies. 2014 Article Эффект выброса твердых частиц из турбулентной пленки суспензии / Е.С. Лапшин, А.Ф. Булат, Б.А. Блюсс // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2014. — № 12. — С. 58-63. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 1025-6415 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88634 532.5.011 ru Доповіді НАН України Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Механіка Механіка |
| spellingShingle |
Механіка Механіка Лапшин, Е.С. Булат, А.Ф. Блюсс, Б.А. Эффект выброса твердых частиц из турбулентной пленки суспензии Доповіді НАН України |
| description |
Экспериментально обнаружен эффект выброса твердых частиц из турбулентного пленочного потока суспензии. Выброс частиц начинается при достижении порогового значения числа Рейнольдса, причем чем меньше размер частиц, тем больше пороговое значение. Опыты проведены на вертикальном цилиндре как в лабораторных, так и промышленных условиях. Эффект может быть использован в различных отраслях для очистки жидкостей от инородных включений и апробирован в технологиях переработки минерального сырья. |
| format |
Article |
| author |
Лапшин, Е.С. Булат, А.Ф. Блюсс, Б.А. |
| author_facet |
Лапшин, Е.С. Булат, А.Ф. Блюсс, Б.А. |
| author_sort |
Лапшин, Е.С. |
| title |
Эффект выброса твердых частиц из турбулентной пленки суспензии |
| title_short |
Эффект выброса твердых частиц из турбулентной пленки суспензии |
| title_full |
Эффект выброса твердых частиц из турбулентной пленки суспензии |
| title_fullStr |
Эффект выброса твердых частиц из турбулентной пленки суспензии |
| title_full_unstemmed |
Эффект выброса твердых частиц из турбулентной пленки суспензии |
| title_sort |
эффект выброса твердых частиц из турбулентной пленки суспензии |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| publishDate |
2014 |
| topic_facet |
Механіка |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88634 |
| citation_txt |
Эффект выброса твердых частиц из турбулентной пленки суспензии / Е.С. Лапшин, А.Ф. Булат, Б.А. Блюсс // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2014. — № 12. — С. 58-63. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
| series |
Доповіді НАН України |
| work_keys_str_mv |
AT lapšines éffektvybrosatverdyhčasticizturbulentnojplenkisuspenzii AT bulataf éffektvybrosatverdyhčasticizturbulentnojplenkisuspenzii AT blûssba éffektvybrosatverdyhčasticizturbulentnojplenkisuspenzii |
| first_indexed |
2025-07-06T16:26:03Z |
| last_indexed |
2025-07-06T16:26:03Z |
| _version_ |
1836915531625529344 |
| fulltext |
УДК 532.5.011
Е.С. Лапшин, академик НАН Украины А.Ф. Булат, Б. А. Блюсс
Эффект выброса твердых частиц из турбулентной
пленки суспензии
Экспериментально обнаружен эффект выброса твердых частиц из турбулентного пле-
ночного потока суспензии. Выброс частиц начинается при достижении порогового зна-
чения числа Рейнольдса, причем чем меньше размер частиц, тем больше пороговое зна-
чение. Опыты проведены на вертикальном цилиндре как в лабораторных, так и про-
мышленных условиях. Эффект может быть использован в различных отраслях для
очистки жидкостей от инородных включений и апробирован в технологиях переработ-
ки минерального сырья.
При обогащении полезных ископаемых с использованием воды широко применяются маг-
нитные и гравитационные конусные сепараторы. Опыт эксплуатации сепараторов показал,
что эффективная работа возможна только при защите рабочей зоны от забивания некон-
диционной по крупности рудой и инородными включениями в суспензии (далее — крупные
частицы). По этой причине, прежде чем подать суспензию на сепаратор, ее пропускают
через перфорированную поверхность. Однако последняя также забивается и требует тща-
тельного контроля, поскольку при ее износе крупные частицы попадают в рабочую зону.
Известны пленочные классификаторы, рабочие зоны которых не забиваются частица-
ми. В них создают пленочное течение суспензии и воздействуют активной силой, направ-
ленной к свободной поверхности, под действием которой крупные частицы преодолевают
поверхностное натяжение и выбрасываются из суспензии. В пленочном классификаторе [1]
активной силой является центробежная сила, которая создается при течении суспензии по
выпуклой твердой поверхности (суспензия и центр кривизны находятся по разные стороны
твердой поверхности).
Однако такой классификатор эффективно выбрасывает частицы, диаметр d которых
превышает 10 мм, и имеет низкую производительность. Попытка улучшить эти показатели
за счет увеличения центробежной силы приводит к отрыву жидкости от твердой поверхно-
сти, в результате чего классификация прекращается.
В течение более двадцати лет в ИГТМ ведутся исследования по изучению гидропро-
цессов транспортирования и обогащения полезных ископаемых [2–8], позволившие, в ча-
стности, создать высокоэффективные пленочные классификаторы, основанные на новом
принципе генерирования активной силы и испытанные на горных предприятиях по добыче
и переработке руд черных и цветных металлов.
Известно, что поверхность жидкости неустойчива к возмущениям, длина волны которых
превышает [9],
λ0 = 2π
√
3σ
ρÿ
,
где σ — коэффициент поверхностного натяжения; ρ — плотность жидкости; ÿ — ускорение
в направлении свободной поверхности жидкости (для [1] это центробежное ускорение).
© Е.С. Лапшин, А.Ф. Булат, Б.А. Блюсс, 2014
58 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2014, №12
Рис. 1. Фрагмент стенда: 1 — труба; 2 — рабочий орган; 3 — распределитель; 4 — суспензия; 5 — частицы;
6 — сборник; 7 — ячейки
Для того чтобы под действием активной силы не происходил отрыв жидкости, необхо-
димо выполнение условия
l0 < λ0, (1)
где l0 — характерный размер области действия силы.
Идея данной работы заключается в том, что активные силы, необходимые для выбро-
са твердых частиц, создают во множестве областей суспензии достаточно малого объема,
в каждой из которых силы, действующие на суспензию в направлении к ее свободной по-
верхности, меньше сил поверхностного натяжения, что предотвращает отрыв жидкости.
Создать течение, удовлетворяющее условию (1), можно разными способами. Так, на-
пример, суспензия может стекать по гибкой поверхности, совершающей волновое движение
с ускорением ÿ и длиной волны, меньшей, чем λ0. Вторым примером может служить течение
по жесткой колеблющейся поверхности. В этом случае на свободной поверхности суспензии
возникают параметрические волны с длиной волны также меньше λ0 и с частотой, в два ра-
за меньшей, чем частота колебаний жесткой поверхности [10]. Третий пример — суспензия
может перемещаться по неподвижной поверхности с выступами, размер которых меньше λ0.
Наиболее простой способ создания активной силы основывается на использовании такой
особенности турбулентного потока, как усиление поперечных флуктуаций вектора скорос-
ти с увеличением числа Рейнольдса [11–14]. В режиме течения, при котором кинетическая
энергия частицы, полученная за счет энергии потока, превышает работу образования но-
вой межфазной поверхности, частица покинет суспензию. При этом турбулентное течение
создается вдоль твердой поверхности с прямолинейной или вогнутой образующей, посколь-
ку в этом случае отсутствует центробежная сила, направленная к свободной поверхности
и способствующая отрыву жидкости.
Изучение выброса твердых частиц из потока суспензии производилось на установке,
включающей трубу 1, рабочий орган 2 и распределитель 3 (рис. 1). Рабочий орган изго-
товлен из стальной трубы диаметром 102 мм.
Суспензия 4 через трубу 1 под давлением подавалась на распределитель 3, с которого
поступала на внешнюю поверхность рабочего органа 2. Суспензия имела плотность ρ =
= 1300 кг/м3 и динамическую вязкость η = 1,68 · 10−3 Па · с. Твердой фазой служила
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2014, №12 59
Рис. 2. Зависимость массового расхода частиц от числа Рейнольдса d = 1–2,5 мм (кривая 1 ) и 1–1,6 мм
(кривая 2 )
магнетитовая руда, содержащая соответственно 75, 15, 5, 3 и 2% частиц с диаметрами
в интервалах (0, 0,5], (0,5, 1], (1, 1,5], (1,5, 2], (2, 2,5] мм.
Вылетавшие частицы 5 попадали в сборник 6, состоящий из ячеек 7. Длина δ каждой
ячейки составляла 100 мм. Сборник охватывал четверть периметра рабочего органа.
Интенсивность выброса частиц характеризуется массовым расходом
Gi =
mi
St
,
где mi — масса частиц, попавших в i-ю ячейку за время t, нумерация выполнена сверху
вниз (i = 1, 2 . . . 10); S — площадь ячейки в плоскости, параллельной оси рабочего органа.
На рис. 2 приведены зависимости массового расхода G2 от числа Рейнольдса
Re =
Γ
η
,
где Г — удельный массовый расход суспензии (масса суспензии, проходящая в единицу
времени через единицу длины периметра рабочего органа). Ячейка i = 2 расположена вне
зоны выброса частиц от удара, обусловленного встречей потока под углом α с рабочим
органом (см. рис. 1).
Из графика следует, что выброс частиц начинается только при достижении определен-
ного значения Re, которое назовем пороговым значением Ret. Чем меньше размер частиц,
тем больше пороговое значение. Так, для частиц крупностью d = 2–2,5 мм Ret = 4450, а для
частиц с d = 1–1,6 мм Ret = 5480. Дальнейшее увеличение Re приводит к возрастанию G2,
причем для более крупных частиц оно интенсивнее.
В работе [14] отмечается, что, по мнению различных авторов, критическое значение
числа Рейнольдса Rek, при котором происходит переход пленочного течения от ламинарного
режима к турбулентному, находится в интервале от 180 до 1000. Поскольку Ret > Rek, то
выброс частиц реализуется при турбулентном режиме течения.
Верхние значения интервалов 2–2,5 мм и 1–1,6 мм, в которых находятся диаметры час-
тиц, соответственно обозначим d1 и d2. Для них числа Вебера
We1 =
ρd1v
2
1
σ
, We2 =
ρd2v
2
2
σ
,
60 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2014, №12
Рис. 3. Распределение относительной массы частиц с 2 < d 6 2,5 мм по длине потока
где v1 и v2 — скорости потока, при которых начинаются выбросы частиц; σ — коэффициент
поверхностного натяжения воды (0,0727 Н/м).
Для устранения трудностей, связанных с экспериментальным определением скорости
потока, поступим следующим образом. Принимая We1 = We2 и выражая v1 и v2 через
числа Рейнольдса, получим
Ret,2 = Ret,1
√
d1
d2
, (2)
где Ret,2 и Ret,1 — пороговые значения числа Рейнольдса для частиц с d2 и d1 соответст-
венно.
Как уже отмечалось выше, частицы крупностью d1 = 2,5 мм начинают выбрасываться
из суспензии при Ret,1 =4450. Из соотношения (2) для d2 = 1,6 мм имеем Ret,2 = 5562,
которое отличается от экспериментального значения 5480 (см. рис. 2) менее чем на 2%,
т. е. можно считать, что выброс частиц начинается при одном и том же значении числа
Вебера.
Распределение выброшенных частиц вдоль потока характеризуют относительные массы
частиц, попавших в i-е ячейки
m∗
i = mi/
(
10∑
i
mi +mp
)
,
где mp — масса частиц, оставшихся в потоке.
Распределение m∗
i (%) вдоль потока представлено на рис. 3, где R2 — коэффициент
детерминации; ось x совмещена с образующей рабочего органа, начало координат помещено
в место встречи потока с твердой поверхностью (см. рис. 1). Из распределения следует, что
с увеличением x выброс частиц экспоненциально уменьшается; увеличение Re приводит
к увеличению относительных масс m∗
i .
Таким образом, экспериментально установлено, что твердые частицы выбрасываются из
турбулентной пленки суспензии при достижении порогового значения числа Рейнольдса.
Для реализации установленного эффекта в промышленных условиях был создан экспе-
риментальный образец пленочного классификатора. Испытания в условиях Вольногорского
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2014, №12 61
горно-металлургического комбината показали, что удельная производительность экспери-
ментального образца более чем в 8 раз превышает удельную производительность известно-
го пленочного классификатора [1]. При этом из суспензии с содержанием твердых частиц
45–60% обеспечивается извлечение 100% частиц крупнее 3 мм и 88–90% частиц крупнее
2 мм при производительности 150–180 м3/ч на 1 м2 площади. Эти результаты свидетельст-
вуют о перспективности применения полученного эффекта в различных технологиях до-
бычи и переработке руд черных и цветных металлов, а также в иных отраслях, где необ-
ходима очистка различных жидкостей от инородных включений.
1. Pat. 3591000 USA. IC B 03 b 3/00. Method and apparatus for siring and separating solids / I. Humphreys. –
Publ. 6.07.71.
2. Булат А.Ф., Витушко О.В., Семененко Е. В. Модели элементов гидротехнических систем горных
предприятий. – Днепропетровск: Герда, 2010. – 216 с.
3. Звягильский Е.Л., Блюсс Б.А., Назимко Е.И., Семененко Е. В. Совершенствование режимов работы
гидротранспортных установок технологий углеобогащения – Севастополь: Вебер, 2002. – 247 с.
4. Семененко Е.В., Булат А.Ф., Сокил А.М. Согласование параметров насоса и электродвигателя
насосного агрегата // Горн. электромеханика и автоматика. – 2002. – Вып. 69. – С. 117–122.
5. Семененко Е.В., Блюсс Б.А. Обеспечение рационального режима работы карьерного гидротранс-
портного комплекса // Сб. науч. тр. НГУ. – № 17. – Т. 1. – Днепропетровск: РИК НГУ, 2003. –
С. 228–233.
6. Лапшин Е.С., Шевченко А.И. Экспериментальное определение предельной скорости подачи пита-
ния на конусообразную вогнутую рифленую рабочую поверхность пленочного классификатора //
Геотехн. механика. – Сб. научн. трудов ИГТМ НАН Украины. – Днепропетровск, 1998. – Вып. 4. –
С. 146–149.
7. Лапшин Е.С., Шевченко А.И. Экспериментальное исследование кинетики очистки оборотной воды
в устройстве для смыва магнитного продукта с зубчатых пластин сепаратора // Там же. – Днепро-
петровск, 1998. – Вып. 6. – С. 138–143.
8. Лапшин Е.С. Разработка и исследование способа классификации руд при турбулентном пленочном
течении пульпы: Автореф. дис. . . . канд. техн. наук: 05.15.11. – Днепропетровск, ИГТМ, 1990. – 16 с.
9. Лаврентьев М.А., Шабат Б.В. Проблемы гидродинамики и их математические модели. – Москва:
Наука, 1973. – 416 с.
10. Стретт Д.В. Теория звука. Т. 2. – Москва: Гостехиздат, 1955. – 475 с.
11. Левич В. Г. Физико-химическая гидродинамика. – Москва: ГИФМЛ, 1959. – 700 с.
12. Монин А.С., Яглом А.М. Статистическая гидромеханика. Т. 1. – Ст.-Петербург: Гидрометиоиздат,
1992. – 696 с.
13. Криль С.Ю. Напорные взвесенесущие потоки. – Киев: Наук. думка, 1990. – 160 с.
14. Ганчев Б. Г. Охлаждение элементов ядерных реакторов стекающими пленками. – Москва: Энерго-
атомиздат, 1987. – 192 с.
Поступило в редакцию 20.06.2014Институт геотехнической механики
им. Н.С. Полякова НАН Украины, Днепропетровск
Є.С. Лапшин, академiк НАН України А. Ф. Булат, Б.О. Блюсс
Ефект викиду твердих частинок з турбулентної плiвки суспензiї
Експериментально виявлено ефект викиду твердих частинок з турбулентного плiвкового
потоку суспензiї. Викид частинок починається при досягненнi порогового значення числа
Рейнольдса, причому чим менше розмiр частинок, тим бiльше порогове значення. Дослiди
проведено на вертикальному цилiндрi як в лабораторних, так i промислових умовах. Ефект
може бути використаний у рiзних галузях для очищення рiдин вiд стороннiх включень
i апробований в технологiях переробки мiнеральної сировини.
62 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2014, №12
E. S. Lapshin, Academician of the NAS of Ukraine A. F. Bulat, B.A. Blyuss
Effect of the emission of solid particles from a turbulent slurry film
The effect of the emission of solid particles from the turbulent flow of a slurry film is experimentally
observed. The particle emission begins, when the threshold value of the Reynolds number is attained.
The smaller the particle size, the greater the threshold value. The experiments were carried in a
vertical cylinder both under laboratory and industrial conditions. The effect can be used in various
branches for the purification of liquids from foreign inclusions and was tested in mineral processing
technologies.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2014, №12 63
|