Μελέτη μύλου άλεσης με πεπιεσμένο αέρα με χρήση τεχνικών CFD

Abstract

Η άλεση με πεπιεσμένο αέρα είναι μια τεχνολογία μείωσης μεγέθους η οποία χρησιμοποιείται για την παραγωγή, υψηλότερης ποιότητας, υπέρλεπτων κόνεων, η άλεση των οποίων επιτυγχάνεται με συγκρούσεις των σωματιδίων μεταξύ τους και με την επιφάνεια του μύλου. Η συγκεκριμένη τεχνολογία χρησιμοποιείται ευρέως από την χημική, φαρμακευτική βιομηχανία και την βιομηχανία μεταλλευμάτων, αλλά η χρήσης της στην βιομηχανία τροφίμων είναι περιορισμένη. Η διφασική ροή που επικρατεί στον μύλο είναι τυρβώδης και πολύπλοκη καθώς επικρατούν συγκρούσεις υψηλών ταχυτήτων μεταξύ των σωματιδίων. Το τρισδιάστατο μοντέλο του μύλου κατασκευάστηκε μερικώς στο σχεδιαστικό πρόγραμμα Autocad και εν συνεχεία οριστικοποιήθηκε στον προ-επεξεργαστή Gambit 2.4.6. Το μοντέλο αυτό αποτελείται από την είσοδο των στερεών η οποία είναι ευθυγραμμισμένη με μία είσοδο αέρα, δύο ακόμα εισόδους αέρα, μια έξοδο από την οποία περνούν τα σωματίδια και ο αέρας και τα σταθερά τοιχώματα του μύλου. Συμπιεσμένος αέρας εισάγεται στον μύλο από τις τρεις εισόδους αέρα. Η πρώτη ύλη εισέρχεται με σταθερό ρυθμό. Το πρόγραμμα ANSYS FLUENT λύνει ένα σετ Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) εξισώσεων. Πρόκειται για σετ εξισώσεων που αφορούν την ορμή και την συνέχεια για κάθε φάση και η σύνδεση των δύο φάσεων γίνεται με την χρήση διαφόρων συντελεστών όπως η πίεση. Οι δύο φάσεις μεταξύ τους μπορούν να εναλλάσσουν εκτός των άλλων και μάζα, ορμή και ενέργεια. Όσον αφορά τον υπολογισμό των τροχιών των σωματιδίων, το μοντέλο DPM χρησιμοποιήθηκε. Αυτό το μοντέλο λαμβάνει υπ’ όψιν του την τύρβη στις τροχιές των σωματιδίων, και την μοντελοποιεί χρησιμοποιώντας το stochastic tracking model, το οποίο είναι ενσωματωμένο στο DPM. Αυτό γίνεται υπολογίζοντας την κάθε τροχιά αυτοτελώς μέσα στο πεδίο ροής. Οι τροχιές υπολογίζονται χρησιμοποιώντας την εξίσωση ισοζυγίου δυνάμεων. Σε αυτή την εξίσωση περιλαμβάνονται και όροι για τον συντελεστή οπισθέλκουσας και για την βαρύτητα. Για τα στερεά σωματίδια θεωρούμε ότι έχουν σφαιρικό σχήμα. Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται αποτελέσματα από τρισδιάστατη προσομοίωση της λειτουργίας του μύλου με την χρήση της υπολογιστικής ρευστοδυναμικής. Η επίδραση της πίεσης του αέρα και της ταχύτητας με την οποία εισέρχεται στον μύλο ποσοτικοποιείται. Τα v σημεία μέσα στον θάλαμο κρούσης στα οποία συγκεντρώνεται ο μεγαλύτερος αριθμός σωματιδίων και ως αποτέλεσμα συμβαίνει και το μεγαλύτερο ποσοστό των συγκρούσεων έχουν αναγνωριστεί. Επιπλέον μοντελοποιήθηκε και η μείωση του μεγέθους σωματιδίων και η κατανομή του μεγέθους των ως συνάρτηση της παροχής πρώτης ύλης στον μύλο. Τα προβλεπόμενα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με πειραματικά αποτελέσματα.

Air jet milling is a grinding technology utilized for the production of superior quality superfine powders where grinding of particles is achieved by interparticle collisions and impacts against a solid surface. . It has been used in the chemical, mineral and pharmaceutical industry for advanced applications but studies on its use in food products are limited. The multiphase flow (solid-gas) in the jet mill is highly turbulent, 3D and complex, as it incorporates high speed collisions between air streams and solid granular particles. The 3D physical meshed model of the jet mill was constructed partially in a modeling program (Autocad) and finalized in the pre-processor Gambit 2.4.6. It consists of one solid inlet aligned with one air inlet, two other air inlets, one pressure outlet and stationary solid jet mill chamber wall. Compressed air is introduced into the system through three nozzles. Flour (raw material) is supplied through one of the nozzles with a constant feed rate. ANSYS FLUENT software solves the Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) equations. The software solves a set of momentum and continuity equations for each phase and coupling is achieved through the pressure and interphase exchange coefficients. We can also exchange mass, momentum and energy between the two phases. As far as the particle trajectories are concerned the Discrete Phase Model (DPM) was used. There are some specific requirements that we kept in mind when we used the discrete phase model. The DPM model takes into consideration the turbulence on the particle trajectories. This turbulent dispersion can be modeled via DPM using the stochastic tracking model. The discrete random walk tracking approach works by tracking each particle injection individually through the domain. The discrete phase particle trajectories are computed by integrating the force balance equation. This equation has terms for the drag force and the gravity force. The solids assumed to be spherical in shape. In the present paper, results of three dimensional numerical simulations using Computational Fluid Dynamics (CFD) are presented. The effect of air pressure and inlet air velocity on the flow field inside the mill is quantified. The locations within the jet mill that are most prominent for high particle concentration, leading to collisions, have been identified as a function of inlet air velocity and particle size using Lagrangian particle tracking. Furthermore, size reduction of solid granular particles injected into the mill was modeled and particle size vii distribution as a function of particle feed rate was determined. The predicted results have been validated using a pilot scale jet mill.