РОЗДІЛ 2
ТЕОРЕТИЧНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ПУЛЬСАЦІЙНОГО РОЗМЕЛУ РОСЛИННОЇ СИРОВИНИ В РІДИНІ
2.1. Фізична модель пульсаційного розмелу рослинної сировини в
рідині
За результатами огляду літературних джерел сформовано уявлення, яке дало змогу сформулювали фізичну модель пульсаційного розмелу рослинної сировини в рідині.
При розмелюванні частинок рослинної сировини в рідині, за умови його проведення в пульсаційних млинах, найбільший вплив на матеріал, який подрібнюється, оказують механічні зусилля і гідродинамічні ефекти. Серед механічних зусиль максимальний вклад в процес вносять: різання, яке відбувається при попаданні частинок в зону перетину рухомих і нерухомих робочих органів млина, і удар частинок об нерухомі частини гарнітури. Проміж гідродинамічних ефектів на розмел частинок найбільше впливають пульсації рідини, які виникають в робочих елементах гарнітури внаслідок локальних гідравлічних ударів, кавітація і гідродинамічне тертя (рис. 2.1).
Розмелювання на першому ступіні пульсаційного млина відбувається за наступною схемою. Вихідні частинки рослинної сировини і рідина подаються в розмельну камеру, в якій вони захоплюються лопатевим ножем. Під дією відцентрової сили компоненти зісковзують уздовж лопотей ножа в напрямі збільшення його діаметру і відкидаються до нерухомого перфорованого циліндра. Продовжуючи рухатись за інерцією, деякі з дрібних частинок зриваються з країв лопотей і повністю проходять крізь перфоровані отвори нерухомого перфорованого циліндра. При цьому вони не подрібнюються. Частина частинок зсувається за край лопаті, і, частково потрапляючи в прорізі, розрізається при перетині з ними лопотей. Усі інші частинки, разом з рідиною, ударяються об суцільну частину статора і дещо зсуваються в напрямі вісі ротора, але під дією крилатки продовжують рухатись в азимутальному напрямі і, набувши достатньо енергії, знову переміщуються в напрямі нерухомого циліндра. Внаслідок удару поверхня частинок ушкоджується, що полегшує їх подальше подрібнення. На вході в робочі елементи і виході з них відбуваються перепади тиску в системі "рідина-тверде тіло". Це сприяє активації поверхні подрібнених частинок і збільшенню однорідності суспензії.
Рис. 2.1. Схема розмелу в пульсаційному млині:
1 - вал; 2 - лопатевий ніж; 3 - перфоровані циліндри (рухомий всередині); 4 - корпус млина; 5 - частинки рослинної сировини; 6 - місця гідравлічних ударів; 7 - місця гідравлічного тертя; 8 - кавітаційні бульбашки.
На виході з отворів нерухомого перфорованого циліндра суспензія підпадає під дію рухомого перфорованого циліндра, встановленого по відношенню до нерухомих циліндрів з мінімальним зазором, величина якого знаходиться в мікронній області. Завдяки тому, що, порівняно з лопатевим ножем, він має більше робочих елементів, кількість перетинів їхніх ріжучих кромок в одиницю часу значно збільшується. Наслідком такого збільшення являється підвищення напруженості різання. Це приводить до того, що велика кількість частинок, які пройшли перший ступінь млина, подрібнюються. В першу чергу це стосується крупніших частинок, які внаслідок попередньої взаємодії з робочими органами втратили імпульс, і частинок, чиї розміри не дають їм можливості проскочити в радіальному напрямі при встановленій частоті перетинів ріжучих кромок. Ударні навантаження частинок робочими органами млина на другому і подальших ступенях розмелу мінімізуються по причині того, що малі ширини прорізей в перфорованих циліндрах і розміри частинок не дозволяють розвинути суттєвих значень інерційних сил, за рахунок яких здійснюються механічні удари. Оскільки на другому ступіні млина кількість замкнених комірок, які утворюються при обертанні ротора, досить мала, впливи гідравлічних пульсацій потоку і кавітації на частинки незначні. Разом з цим на другому ступені проявляється тертя в зазорі між перфорованими циліндрами. При цьому частинки в потоці, затягнуті в зазор, взаємодіють як з гарнітурою млина, так і одна з одною. Також на частинки в зазорі діє градієнт швидкості, який оказує на них розриваючу дію. Слід вказати на те, що вплив процесів в зазорі залежить від ширини останнього і зменшується при його нераціональному виборі як у випадку збільшення, так і зменшення.
Також при пульсаційному розмелі має місце значна дисипація енергії, що полегшує розривання зв'язків в частинках.
На третьому і подальших ступенях пульсаційного млина роль різання значно знижується. Разом з цим підвищується значущість гідродинамічних ефектів, серед яких виділяються гідравлічні пульсації потоку і кавітація. Їх інтенсифікація пов'язана з великою кількістю робочих елементів в перфорованих циліндрах. Так, при швидкому обертанні рухомого циліндра між двома нерухомими відбуваються числені різкі перекриття живого перерізу гарнітури з утворенням комірок, непрохідних в радіальному напрямі. При цьому частина потоку потрапляє в міжциліндровий зазор (при його відповідній ширині) і рухається в азимутальному напрямі, а інша частина з великою силою вдаряється об нерухомий циліндр з більшим діаметром і змінює напрям свого руху. Як наслідок - поява перепадів тиску в комірках. Все це спричиняє проходження акустичних хвиль, локальні розриви потоку і локальне скипання, що призводить до ерозії матеріалу з поверхні частинок упритул до їх розриву. Подальше обертання ротора відкриває радіальний переріз гарнітури і суспензія виштовхується з робочих елементів під дією напору, який створюється лопатевим ножем.
Одночасно з розмелом відбувається набрякання частинок і активна екстракція з них речовин. Висока інтенсивність екстракції пов'язана з розвиненою поверхнею частинок, одержаною сукупною дією розмелу і ерозії. Набрякання послаблює внутрішні зв'язки в частинках, що полегшує їхнє подальше подрібнення.
2.2. Математична модель пульсаційного розмелу рослинної сировини в рідині
Аналіз фізичної моделі і відомостей, наведених в аналітичному огляді літературних джерел щодо математичних моделей кінетики розмелу,