超细粉体负压螺旋脱气充填机理研究

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超细粉体负压螺旋脱气充填机理研究申长璞河南工业大学超细粉体具有良好的溶解性、分散性、吸附性、化学反应活性,广泛应用于食品、化工、医药、冶金、建筑、涂料、电子及航空航天等诸多领域。超细粉体具有含气量高、燃点低、比表面积大、比重轻、呈水状形态、易与空气混合等特点,不仅给超细粉体的包装、贮运过程中造成扬尘大、包装效率低、胀袋炸袋等问题,而且还可能引起环境污染、坍塌、粉体爆炸和火灾等危害人身安全的隐患。超细粉体脱气密实对安全生产和经济效益都具有重要意义。本文依据螺旋挤压的原理和实际生产中粉体螺旋充填的工况,设计了超细粉体负压螺旋脱气密实充填装置。通过理论研究、实验研究、数值仿真和参数优化相结合的方法,系统地研究了超细粉体负压螺旋脱气密实充填机理,解决了超细粉体在负压螺旋脱气密实充填过程中螺旋结构参数、工作参数和负压参数对超细粉体所受压力、扬尘浓度、脱气密实效果、充填效率和功耗的影响规律等相关问题,为超细粉体负压螺旋脱气密实充填研究和装置的研发生产提供了参考和依据。论文的主要研究工作如下1)粉体可压缩性研究。利用实验和数值仿真相结合的方法研究了粉体的可压缩性规律,拟合了粉体的压力-压缩量的可压缩方程,揭示了粉体的粒度分布、含水率和摩擦性对粉体可压缩性的影响规律和机理,为超细粉体负压螺旋脱气密实的理论研究和装置设计提供了依据。研究结果可知,粉体可压缩量随压力的增大呈对数增加;粉体-容器静摩擦角越小,粉体可压缩性越好;粒度分布范围越大,粉体空隙率越大,可压缩性越好,但达到一定压缩量后,粒度分布大的压缩量的增加量小于粒度分布小的;粉体的含水率越高,粉体越容易团聚,空隙率越大,可压缩性越好。(2)超细粉体负压螺旋脱气密实充填理论模型的建立和分析。考虑了超细粉体负压螺旋脱气密实充填过程中超细粉体的可压缩性和离心力的作用,基于对超细粉体的运动、动力学和压缩密实研究,建立了超细粉体的动力学方程和密实连续方程。对动力学方程和密实连续方程进行无量纲化线性处理和拉普拉斯变换,求解得到超细粉体所受压力和密实后密度的表达式,并建立了充填效率和功耗的理论模型。利用MATLAB软件对理论模型求解,获得结构参数和工作参数对摩擦力系数、离心力系数、超细粉体所受压力、充填效率和功耗的影响规律,揭示了超细粉体螺旋密实充填的机理,为超细粉体螺旋密实的研究提供了理论依据。(3)超细粉体负压螺旋脱气密实充填的实验研究。基于粉体可压缩性研究和超细粉体负压螺旋脱气密实充填的理论研究,设计了不同结构的螺旋并搭建了超细粉体负压螺旋脱气密实充填实验平台。使用粉体浓度检测系统、柔性薄膜压力系统、动态扭矩功耗采集系统、质量传感系统和可调负压系统等实验研究了不同螺旋结构、工作参数和负压参数对超细粉体的所受压力、脱气密实程度、扬尘程度、充填效率和功耗的影响规律,并与理论研究进行对比分析。研究表明,与等径等距螺旋相比,变径等距螺旋和等径变距螺旋作用下的超细粉体压缩量提高164.32%和442.84%、扬尘浓度减少15.78%和24.73%、所受压力增加392%和543%、功耗增加52.42%和122.73%、充填效率减小34.68%和28.35%。超细粉体脱气密实效果、扬尘程度、所受压力、充填效率和功耗都随螺旋转速的增大而增大。负压小于-0.04MPa时,负压越大脱气密实效果越好、扬尘浓度越小,但对超细粉体脱气密实的影响很小,主要作用为协助螺旋挤压快速排出充填装置中的空气。超细粉体所受压力、功耗和充填效率的理论和实验结果误差分别为6.97%、8.39%和7.53%。因此,等径变距螺旋结构是超细粉体负压螺旋脱气密实充填最合适的螺旋结构,为超细粉体负压螺旋脱气密实充填的研究和装置的研发设计提供了参考和依据。(4)等径变距超细粉体负压螺旋脱气密实充填的参数优化。通过欧拉(Eulerian)颗粒流模型的数值仿真和Box-Behnken响应面实验的方法,以等径变距超细粉体负压螺旋脱气密实充填的充填效率、功耗和脱气密实后密度为目标,对等径变距超细粉体负压螺旋脱气密实充填装置的螺距变化量、轴心直径和螺旋转速等参数进行优化。通过参数优化可知,螺距变化量、轴心直径和螺旋转速的最优参数组合为7.171mm、45.192mm和140rpm,充填效率、功耗、脱气密实后的密度分别为为1.029kg/s、40.708W和520.874kg/m3,结果的优化可取度为0.751,数值仿真结果与优化参数预测结果误差率在4%以内。响应面分析表明螺距增大,质量流量减小,功耗和脱气密实后密度增大;转速增大,质量流量、功耗和脱气密实后密度增大,但对功耗和脱气密实后密度影响较小;轴心直径对质量流量、功耗和脱气密实后密度的影响很小。等径变距螺旋超细粉体负压螺旋脱气密实充填的参数优化为超细粉体负压螺旋脱气密实充填装置的设计和实际生产提供了可靠的参数依据。