WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Эмульсии применяют в различных областях промышленности, при этом к ним предъявляются различные требования. В машиностроении эмульсии применяют в качестве смазочно-охлаждающих технологических средств, при этом используются водные и масляные СОТС. Основными показателями качества эмульсий являются: устойчивость, дисперсность, концентрация, размер капель, вязкость, поверхностное натяжение, плотность, удельная электропроводность, однородность, температура вспышки, температура застывания и теплота сгорания для водотопливных эмульсий (ВТЭ). На основе статистических исследований проведена обработка результатов влияния каждого фактора при производстве эмульсий на конечный продукт. Выявлено пять основных факторов и разработан авторский критерий оценки устройств для приготовления эмульсий. Для эффективности производства функция оптимума должна стремиться к максимуму, то есть должно выполняться условие.

(1)

При вычислении критерия были введены коэффициенты значимости по каждому показателю. При расчете промежуточных коэффициентов Кi,j коэффициент значимости равен 0,9 (для определяющего показателя), для остальных показателей коэффициент значимости равен 0,05. Комплексный критерий определяется выражением

(2)

где j =1…5 –порядковый номер устройства; К1,j- коэффициент, рассчитанный по диаметру капель; К2,j- коэффициент, рассчитанный по устойчивости эмульсии; К3,j- коэффициент, рассчитанный по производительности; К4,j- коэффициент, рассчитанный по энергопотреблению; К5,j- коэффициент, рассчитанный по стоимости;,,,,- относительные величины диаметра капель, устойчивости эмульсии, производительности, энергопотребления и стоимости устройств соответственно. В соответствии с целью работы сформулированы задачи исследований.

Во второй главе предложен вариант функциональной схемы технологической установки для автоматизации процесса производства СОТС на базе электрогидравлического преобразователя импульсного действия, как исполнительного элемента САУ. Для обоснования работы ЭГПИД рассмотрены физические основы электрического способа эмульгирования жидкостей и проведены теоретические исследования ЭГПИД.

Все методы эмульгирования, имеющие меха­ническую природу, заключаются в разбивании большого объема жидкости на капли малых размеров с помощью механических, гидро­динамических процессов. Такой же эффект может быть достигнут за счет действия сил электрического поля. При импульсном электрическом разряде в жидкости происходит быстрое выделение энергии в канале разряда. При этом в межэлектродном промежутке образуется парогазовая полость. Радиус, скорость расширения, период пульсации полости представляют практический интерес при исследовании электрогидравлического способа эмульгирования жидкостей, так как каждый последующий электрогидравлический удар может возникнуть только после того, как кавитационная полость от предыдущего разряда успеет захлоп­нуться, что и определяет возможную максимальную частоту разрядов электрогидравлической установки (рис.1). Проведен расчет параметров полости по уравнениям, описывающим поведение полости при приложении электростатического поля. Сделан вывод о зависимости параметров парогазовой полости от энергии, накопленной в конденсаторной батарее, а, следовательно, от параметров разрядного контура. Выявлено, что для улучшения процесса эмульгирования жидкостей следует увеличивать радиус полости, этого можно добиться согласно (3), прежде всего, при увеличении энергии пульсации полости Еп, что подразумевает увеличение напряжения на конденсаторах U и емкости конденсаторов С.

(3)

где Еп –энергия пульсации полости, Дж; р0- гидростатическое давление в жидкости, Па.

Построены зависимости изменения радиуса полости в течение периода ее пульсации (рис.2), зависимость скорости изменения радиуса полости от времени пульсации (рис.3) и зависимости для скорости и давления в полости, от времени пульсации полости на расстоянии 10 см от нее (рис.4,5). Устойчивое состояние эмульсий является граничным при диспергировании жидкостей, проведен анализ процесса коагуляции эмульсий, приготовленных в ЭГПИД, и дана оценка динамики коагуляции. Устойчивость эмульсий, приготовленных в технологической установке на базе ЭГПИД по расчетным значениям, составляет 116 суток.

Рис.2.Изменение радиуса полости в течение периода пульсации

Рис.3.Скорость изменения радиуса

полости на начальном этапе

расширения полости

Рис.4. Изменение давления в полости,

от времени пульсации полости

Рис.5. Изменение скорости жидкости, окружающей полость, от времени пульсации полости

Также проведено построение математической модели ЭГПИД на основе системы уравнений, описывающей гидродинамические явления в жидкости в электростатическом поле и зависимости давления в жидкости от параметров парогазовой полости, образованной в результате импульсного воздействия на жидкость. Зависимость давления в жидкости при импульсном воздействии получена в результате решения уравнения Бернулли с учетом уравнений для описания поведения парогазовой полости. Решение для скорости в жидкости получено в результате решения уравнения Навье-Стокса. Уравнение решалось для покоящейся жидкости. За начало отсчета принимался момент установления поля, в промежутке после подачи потенциала на электрод. Также принималась неизменность электродного потенциала 0 = const. Получена математическая модель ЭГПИД (4),(5), отражающая зависимость скорости V(U) и давления P(U) жидкости в кювете ЭГПИД от величины напряжения, приложенного к электродам.

P(U) = (4)

(5)

где С - емкость разрядного контура, Ф; p0 - гидростатическое давление, Па; р - КПД разрядного контура; - кинематическая вязкость жидкости, м2/с; С1- постоянная интегрирования Па/м3; - плотность жидкости, кг/м3; S - площадь электродов, м2.

Расчет динамической характеристики проводился при помощи теории систем с распределенными параметрами в цилиндрических координатах. Уравнение зависимости скорости в жидкости при приложении электростатического поля имеет вид:

(6)

где - скорость в жидкости при приложении поля, м/с; - напряжение, В; r –цилиндрическая координата. Начальные условия, определяющие скорость возмущения жидкости в начальный момент времени:Q0(r,0) =Q0 (r); Q0(r,0)=0.Граничные условия 0 r 0, t 0, а0. Для данного уравнения из известных функций Грина, континуальной передаточной и стандартизирующей функции, по методике расчета систем с распределенными параметрами получена интегральная передаточная функция, по ней построена ЛАЧХ, аппроксимация которой позволила получить передаточную функцию устройства (7), которая для центральной точки кюветы ЭГПИД (0.0035; 0.0035; 0.08) имеет вид:

(7)

По уравнениям (4),(5) получены зависимости давления и скорости жидкости в кювете ЭГПИД от напряжения на электродах (рис.6,7). Уравнения (4),(5) являются конструктивными для расчета давления и скорости течения жидкости при создании в МЭП электростатического поля и образования парогазовой полости.

Рис.6. Расчетная статическая характеристика ЭГПИД по давлению:

1 –С=0,368 мкФ; 2-С=1 мкФ; 3-С=2 мкФ;

4-С=3 мкФ; 5-С=4 мкФ

Рис.7. Расчетная статическая

характеристика ЭГПИД по скорости

Проведено обоснование и моделирование различных систем электродов для ЭГПИД в программе Elcut, позволяющее оценивать значения полей в виде картины поля, построения графиков и табличных значений вдоль контура, локальных значений. В результате исследований определены конструктивные параметры устройства, получена передаточная функция, которая в дальнейшем необходима при синтезе САУ автоматизированной технологической установки на базе ЭГПИД.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований ЭГПИД. Для их проведения разработана и изготовлена технологическая установка. Конструкция кюветы экспериментального образца (рис.8) имеет форму параллелепипеда с радиально закругленными ребрами, выполнена из капролона. С целью многократного использования емкости в корпус и крышку вворачиваются металлические втулки. Емкость стягивается винтами. Сливная и заливная горловина, а также отверстия электродов герметизируются уплотнительными кольцами, изготовленными из листовой маслостойкой резины. Исполнительная часть технологической установки для экспериментальных исследований приведена на рис.9.

Проведены экспериментальные исследования по приготовлению эмульсий (модельных смесей) при изменении емкости конденсаторной батареи и числа импульсов в ЭГПИД. Исследовались характеристики эмульсий (рис.10) по: диаметру капель; стабильности эмульсий; межфазному натяжению; числу капель дисперсной фазы в эмульсии. В качестве рабочей (дисперсной) среды использовалась техническая вода, в качестве дисперсной фазы использовались жидкости: керосин, индустриальное масло И-20, И-30, мазут, в качестве ПАВ использовался спирт; жидкости смешивались в различных пропорциях. Рабочее напряжение 6-12 кВ, количество подаваемых импульсов 1-50 (в зависимости от кюветы и требований эксперимента). Для измерения диаметров капель использовался микроскоп с увеличением 200-900 раз и цифровой фотоаппарат фирмы Canon. Число капель ДФ эмульсии определялось по формуле

(8)

где N - число капель дисперсной фазы (ДФ) в эмульсии; V – объем приготовленной смеси, 20*10-6м3; Vi – объем исследуемого образца, м3; r- радиус исследуемого образца; ni – число капель ДФ в образце.

Проведены исследования межфазного поверхностного натяжения для всех эмульсий, приготовленных в ЭГПИД. Оно изменяется в зависимости от типа смешиваемых компонент от 4,9 до 40 мН/м. Время жизни эмульсий также различно и зависит от многих факторов, при этом изменяется от 5 до 100 суток.

Для обоснования режимных параметров ЭГПИД использовался метод планирования эксперимента. В качестве факторов варьирования взяты: емкость конденсаторной батареи, число импульсов в кювете, процентное соотношение смешиваемых компонентов, напряжение разрядного контура и межэлектродное расстояние. Было доказано, что для получения стабильной монодисперсной высококонцентрированной эмульсии необходимо увеличивать число разрядов в кювете, емкость конденсаторной батареи и процентное соотношение жидкостей.

Рис. 10. Экспериментальное исследование

диаметра капель эмульсий

Также получены экспериментальные статические и динамические характеристики (рис.11,12), отражающие зависимость давления в жидкости при изменении напряжения разрядного контура и изменении давления жидкости во времени. Переходная функция построена для трех импульсов в ЭГПИД. По экспериментальной переходной характеристике идентифицирована передаточная функция ЭГПИД по давлению (9). Исследования в данной главе показывают, что расхождение между теоретическими и экспериментальными исследованиями составляют 19%.

(9)

Рис. 11.Экспериментальная статическая характеристика ЭГПИД

Рис.12. Экспериментальная переходная характеристика ЭГПИД

В четвертой главе синтезирована и рассчитана САУ контроля процесса приготовления эмульсий автоматизированной технологической установки на базе ЭГПИД (рис.13). Рассмотрены вопросы практического использования ЭГПИД.

САУ позволяет осуществлять приготовление эмульсий из плохо смешиваемых жидкостей при помощи высоковольтного разряда, а также позволяет осуществить автоматическую дозировку смешиваемых жидкостей и дает возможность получать эмульсию любого требуемого состава. МБУ (рис.14) входящий в состав САУ, осуществляет контроль и управление напряжением в кювете ЭГПИД, работой шаговых двигателей, клапанов и насоса.

Рис.13.САУприготовления эмульсий на базе ЭГПИД:

МК-микроконтроллер; ШД -шаговый двигатель; Р -редуктор; Ц- цилиндр; КЛ- клапан; К- кювета ЭГПИД; АЧ – анализатор частиц

Рис.14.Микропроцессорный блок управления (МБУ)

Предложены варианты использования ЭГПИД в различных САУ приготовлением эмульсий, и в частности для приготовления эталонных СОТС для обработки металлов. Рассчитанный экономический эффект от внедрения автоматизированной технологической установки в производственный процесс приготовления СОТС составляет 176234 руб. Срок окупаемости составляет 0,2 года.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Технологии приготовления СОТС основаны на механическом перемешивании компонент, что значительно увеличивает время приготовления СОТС, снижает физико-химические и эксплуатационные характеристики СОТС. Для повышения эффективности СОТС при обработке металлов перспективным является создание автоматизированной технологической установки для приготовления эффективных СОТС путем электрической активации точной концентрации смешиваемых компонентов.

2. Новизна предложенного способа приготовления и одновременной активации СОТС при помощи импульсного высоковольтного разряда в жидкости способствует повышению эффективности, экологичности, уменьшению времени приготовления СОТС.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»