Підвищення ефективності пневмоімпульсного транспорту нен’ютонівських рідин

Размещено на http://allbest.ru

Український державний університет харчових технологій

СТОЯНОВА Ольга Вікторівна

УДК 621.691:532.501.32

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ПНЕВМОІМПУЛЬСНОГО ТРАНСПОРТУ НЕН'ЮТОНІВСЬКИХ РІДИН

Спеціальність 05.18.12 - Процеси та апарати харчових виробництв

Київ - 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Херсонському державному технічному університеті, Міністерство освіти України

Науковий керівникдоктор технічних наук, професор, Михайлик Вік-тор Дмитрович, Херсонський державний технічний університет, завідувач кафедри Охорони праці та навколишнього середовища

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Кулінченко Віта-лій Романович, Український державний університет харчових технологій, професор кафедри Процесів і апаратів харчових виробництв

кандидат технічних наук, Гордієнко Олександр Пав-лович, Мінтранспорт України, головний спеціаліст

Провідна установаУкраїнський науково-дослідний інститут цукрової промисловості Міністерства агропромислового комплексу України (м. Київ)

Захист дисертації відбудеться 17 березня 1999 р. о 14⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.058.02 Українського державного університету харчових технологій за адресою: м. Київ, вул. Володимирська, 68, корпус А, ауд. 311.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Українського державного університету харчових технологій за адресою: м. Київ, вул. Володимирська, 68.

Автореферат розісланий “12 ” лютого 1999 року

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради ___________ Зав'ялов В.Л.

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ПНЕВМОІМПУЛЬСНОГО ТРАНСПОРТУ НЕН'ЮТОНІВСЬКИХ РІДИН

Збільшення випуску харчових продуктів високої якості, автоматизація виробництва потребує широкого застосування насосів. Однією з головних задач, що ставляться перед різними галузями харчової промисловості, є правильний вибір насосного обладнання у залежності від властивостей продукту, що перекачується та особливостей технологічного процесу

Зараз спостерігається тенденція щодо удосконалення конструкцій пневмогідротранспорту реологічно-складних речовин. Перевага нових способів криється у значному зменшенні енерговитрат, відсутності рухомих частин у транспортних засобах.

Однак, широкому використанню систем пневматичного транспортування перешкоджає відсутність достатньо обгрунтованих та перевірених методів розрахунку даних систем.

Складності транспортування нен'ютонівських рідин тісно пов'язана з проблемами реології. Вивчення впливу таких факторів, як дисперсність, концентрація, температура дозволяє запобігти таким небажаним явищам, як седиментація, агрегація та дилатансія.

Проблема транспортування нен'ютонівських рідин на різних підприємствах України вирішується із залучанням насосного обладнання імпортного виробництва. пневмоімпульсний насос транспортування рідина

Однак, потреба у цих насосах велика і не може бути розв'язана тільки за рахунок імпортних надходжень, до того ж ставить галузь в залежність від закордонного виробника.

У відповідності зі станом галузі насособудування у числі основних напрямків розвитку народного господарства передбачається Державною програмою розвитку, на період до 2000 року, підкреслене збільшення випуску ресурсозберігаючих машин та зниження обсягів використання імпортного.

У зв'язку з цим виникла необхідність пошуку нових технічних рішень, до яких відносяться пневмоімпульсні системи, що дозволяють знизити енерговитрати та збільшити час експлуатації обладнання.

Актуальність теми. В даній роботі особлива увага спрямована на підвищення ефективності транспортування нен'ютонівських систем в харчових виробництвах.

Під час перекачування високов'язких, концентрованих, агресивних рідин значно зменшується ефективність використання гідротранспорту загального призначення, що пов'язано з високою абразивністю перекачуваних рідин, у наслідок чого різко зменшується ресурс використання даного обладнання з метою зниження енерговитрат.

На підставі аналізу теоретичних літературних джерел можна зробити висновок, що поки-що не створено достатньо точної теорії руху реологічного середовища для нестаціонарного процесу.

Ця обставина змушує багатьох дослідників користуватися емпіричними залежностями.

Таким чином, актуальність даної роботи обумовлена, з одного боку, вибором об'єктів дослідження, з іншого - важливим науковим значенням питань, пов'язаних з вивченням реологічних властивостей систем при конструюванні пневмоімпульсного транспорту для оптимізації процесу.

Запропонований спосіб становить цінність для транспортування харчових продуктів, які мають нен'ютонівські властивості у різних галузях харчової промисловості: цукровій, крохмально-паточній, кондитерській, консервній та овочесушильній.

З урахуванням вищезгаданого, в даній роботі звертається увага на питання залежності в'язкості від умов транспортування. Основні дослідження виконано згідно програми Міністерства освіти України від 19.07.94 та постановою №0194 00655 Держкомітету по науці та техніці від 22.12.93.

Робота виконувалася згідно державної програми ДКНТ “Розробка апаратів для ресурсозбереження”, тема 03.1200/073-93.

Мета роботи. Підвищення ефективності транспортування складного середовища при імпульсних режимах руху, удосконалення існуючих апаратів пневмоімпульсної дії та поширення області їх застосування, зокрема для харчової промисловості, а також розробка методичних рекомендацій для розрахунку пневмоімпульсного насосу.

Згідно з метою роботи вирішувалися конкретні задачі.

Задачі досліджень:

розробка математичної моделі пневмоімпульсного транспортування рідин;

дослідження реологічних характеристик середовища, що перекачують;

дослідження робочих характеристик пневмоімпульсного насосу при роботі на нен'ютонівських рідинах та оптимізація процесу перекачування рідин;

одержання критеріального рівняння, що описує продуктивність пневмоімпульсного насосу (ПІН) в імпульсному режимі роботи.

Наукова новизна отриманих результатів. Вперше проведене комплексне дослідження роботи ПІН при перекачуванні нен'ютонівських рідин. Досліджено вплив різних факторів на в'язкість рідин в цілому, та показана можливість оптимізації процесу транспортування при імпульсному режимі роботи насоса, у окремому випадку.

Розроблена математична модель ПІН, на підставі якої стало можливим проаналізувати вплив параметрів пульсації на гідродинамічні характеристики досліджуваної гетерогенної системи, а також вплив частоти пульсації на опір пульсуючого струминного канала.

Об'єкти і методи дослідження. Основні дослідження проводилися з пневмоімпульсним насосом на різних нен'ютонівських рідинах, використовувалися різні модифікації досліджуваного насосу, обиралися оптимальні розміри конструкції.

Завдання, що поставлені в роботі, вирішувалися теоретичними та експериментальними методами.

Об'єктами дослідження є розчини: вода-борошно, вода сода (NaHCO₃), вода-крохмаль (C₆H₁₀O₅), розчин желатину (С=18-25%).

Реологічні властивості перекачуваного середовища досліджували на ротаційному віскозіметрі “Reotest-2” (Німеччина). Для обробки експериментальних даних використовувалася формула Дохерті-Крігера, яка описує залежність в'язкості суспензії від її концентрації.

Оцінку фізіко-механічних характеристик нен'ютонівських рідин виконували згідно з нормативними документами.

Результати експериментів опрацьовані згідно з методами сучасної математичної статистики з використанням IBM-сумісного персонального комп'ютеру класу PC/AT-286 і статистичної діалогової системи “Стадія”, версії 4.10.

Достовірність отриманих результатів досягається використанням перевірених приладів і методів сучасної математичної статистики для опрацювання експериментальних даних, що підтверджується їх надійним узгодженням з практичними результатами.

Практична цінність роботи. Практичне значення отриманих результатів зводиться до того, що при транспортуванні нен'ютонівських рідин пневмоімпульсним способом зменшується опір рідин в струминому каналі, виключаються негативні процеси седиментації, агрегації та ділатансії. Використання пневмоімпульсного транспорту в харчовій промисловості сприяє зменшенню енерговитрат, збільшенню об'ємів виробництва харчових продуктів. Впровадження у виробництво ПІН сприяє зменшенню обсягу обладнання, що імпортується із-за кордону.

Пневмоімпульсний спосіб та розроблена на його підставі конструкція насосу впроваджені на Херсонському заводі “Прибій”. На основі дослідних зразків ПІН різної модифікації виготовлено 50 шт. насосів, а в подальшому передбачено серійне їх виробництво. Позитивний ефект від цього впровадження полягає у вирішенні важливих екологічних та енергетичних проблем при транспорті нен'ютонівських рідин.

Особистий внесок автора. Особистий внесок автора зводиться до постановки та обгрунтування мети і задач дослідження, у критичному вивченні науково-технічної, патентної інформації та виробничого досвіду з питань транспортування реологічно-складних рідин, в удосконаленні експериментального обладнання, проведенні експериментальних досліджень та аналізу отриманих результатів, удосконаленні методичних рекомендацій щодо розробки ПІН.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися:

на науково-практичній конференції “Науково-технічний прогрес в перехідний період розвитку України”, Херсон, 1995 рік.

на міжнародній науково-технічній конференції “Прогресивні технології машинобудування та сучасність”, Севастополь, 1997 рік.

Публікації результатів досліджень. Матеріали дисертації викладені в 10 друкованих роботах, з яких в наукових виданнях - 4, в збірниках наукових праць - 3, у тезах доповідей - 2, отримано позитивне рішення на видачу патента №97010196 від 20.01.97.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, 5 розділів, висновків і рекомендацій, списку використаних літературних джерел і додатка.

Основна частина дисертації містить 112 сторінок друкованого тексту, 20 таблиць, 22 рисунків, 119 назв бібліографічних посилань.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність роботи, сформульована мета задачі та основні напрямки роботи, вказані методи дослідження, сформульована наукова новизна та показана практична цінність роботи.

В літературному огляді поданий критичний аналіз робіт по вивченню гідродинаміки двофазних потоків та розподіленню швидкостей та концентрацій по перерізу потока. Розглянуті реологічні моделі нен'ютонівських рідин, їх особливості руху в трубах і апаратах. Приведені типи реологічних рівнянь на основі теорії, що описують аномально в'язкі властивості, їх переваги та недоліки. На основі критичного аналізу вітчизняних та зарубіжних робіт, присвячених вивченню транспортування нен'ютонівських рідин, а також, з урахуванням енергетичного забезпечення обладнання зроблено висновок про те, що найбільш доцільне рішення даної проблеми транспортування таких рідин можна досягти при організації на вітчизняних підприємствах виробництва ПІН.

У вступі сформульовані основні напрямки дослідження пульсаційної апаратури з урахуванням нестаціонарного режиму течії нен'ютонівських рідин.

В методичній частині приводяться методи дослідження реологічних властивостей рідин, вимірювання імпульсних витрат газу та робочих характеристик ПІН.

Основна робота виконана з розчинами: борошно-вода, сода-вода, крохмаль-вода, желатин-вода та з гомогенними їх суспензіями.

В експериментальній частині приведені і обгрунтовані результати досліджень, розроблена теоретична модель руху водяного поршня. У додатку приведено матеріал з математичної обробки експериментальних даних.

МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ ПНЕВМОІМПУЛЬСНОГО НАСОСА

Під час руху водяного поршня вздовж каналу водоводу йому необхідно долати лобовий опір повітря та боковий опір тертя об стінки каналу, а також інерційний вплив внаслідок виконаної роботи по створенню розрідження за поршнем. На підставі цих міркувань була запропонована пружинна модель ПІН.

Закон зміни пружності “пружини”, в загальному випадку, повинен залежати від таких факторів:

від скважності, тобто від відношення періоду повторення імпульсу до його ефективної тривалості;

від відносної довжини водяного поршня.

Розглянемо поодинокий випадок, коли маса “пружини” складе m. Рух такої “пружини”, якщо її пружність k(x) приблизно можна описати балансовим рівнянням імпульсів:

,

де - імпульс сили, що діє на елемент водяного поршня;

k(x)dxd - імпульс пружності стиснутого газу;

Pdd - імпульс сили гідростатичного тиску або імпульсний тиск, що передається елементу водяного поршня.

Для кінцевих розмірів водяного поршня рівняння руху приймає вигляд:

.

де - густина;

V - об'єм водяного поршня;

k(x) - пружність “пружини”.

При спільному русі у водоводі кількох водяних поршнів неминучий їх взаємний вплив, тобто буде мати місце перерозподіл імпульсів сили. У цьому випадку, виходячи із принципу суперпозиції, сумарну змінно-циклічну силу подамо у вигляді прямокутних імпульсів, що повторюються з частотою :

Тоді, розклавши змінно-циклічну силу P() в ряд Фур'є, отримаємо:

.

де P₀ - вертикальний складник сили.

Іншими важливими розрахунковими характеристиками пневмоімпульсних систем є: час розгону водяного поршня у водоводі із стану спокою до рівномірного руху, довжина шляху розбігання.

Припустимо, що вплив стиснутого газу на водяний поршень визначається виключно змінною силою, спрямованою по осі поршня. Крім цього, на нього буде діяти сила тяжіння та сита тертя. Інтегруючи рівняння руху водяного поршня при граничних умовах =0, =0 та =_р та =_р, одержимо час розгону водяного поршня у водоводі із стану спокою до рівномірного руху:

.

де - швидкість руху поршня;

_тр - швидкість зрушування поршня (із стану спокою до початку руху);

_р - швидкість розгону поршня до рівномірного руху.

В свою чергу, шлях, який пройшов водяний поршень за час _р в загальному вигляді визначається інтегралом:

.

Інтегруючи його у межах L=0, =0 та L=L_р, =_р, одержимо довжину шляху розгону водяного поршня (необхідну довжину водоводу):

.

Для проточних апаратів час перебування в них окремих елементів потоку (наприклад, водяного поршня, виштовхненого стислим повітрям) є в загальному випадку безперервною випадковою величиною. Користуючись інтегральною величиною функції розподілу часу перебування, середній час перебування у водоводі водяного поршня можна розглядати як математичне очікування безперервної величини:

.

Інтегральна функція розподілу F() для ПІН ідеального витіснення - це розривна функція, яка має тільки два значення: 0 або 1. Похідна розривної функції є особливою функцією (дельта-функція Дірака), значення якої дорівнює нулю при усіх значеннях та . Крім цього, функція повинна задовільняти умові:

.

Запропонована модель адекватна результатам досліджень, які підтвердили, що функція Дірака описує миттєвий імпульс нескінченно великої амплітуди. Згідно моделі імпульс вважається існуючим при значеннях аргументу, який дорівнює нулю.

ДОСЛІДЖЕННЯ РЕОЛОГІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК НЕН'ЮТОНІВСЬКИХ СИСТЕМ

Аномалія в'язкості є дійсною визначальною ознакою нен'ютонівських рідин. Індивідуальність властивостей окремих груп рідин проявляється в тому, що вони відрізняються не тільки за величиною в'язкості, але й за ступенем відхилення від н'ютонівської поведінки при різній концентрації, швидкості руйнування та температурі. Згідно з цим, у цьому розділі для оцінки придатності пневмоімпульсного способу транспортування нен'ютонівських рідин зроблена оцінка ступеню відхилення систем вода-борошно, вода-сода (NaHCO₃), вода-крохмаль.

З цією метою за допомогою ротаційного віскозіметра “Reotest-2” отримані реологічні криві у вигляді залежностей в'язкості від досліджуваних параметрів. З аналізу кривих в'язкості від концентрації слідує, що зі збільшенням концентрації впливають дисперсність та індивідуальні властивості часток. При малій концентрації (для соди до 25%; для розчину борошно-вода - менше 14%) спостерігається прямолінійна початкова ділянка (шведівський режим течії), а вже при концентрації більше 25% відбувається різке збільшення в'язкості у розчинів соди. Для содових розчинів виявлена зона граничних концентрацій (С=34%), залежність (С) асимптотично наближується до вертикалі, для яких , тобто гідросуміш за фізичними властивостями наближується до твердого тіла.

Для обробки експериментальних даних використана формула Дохерті-Крігера:

С_m - максимальна концентрація, при якій .

Причини різного впливу температури на в'язкість обумовлені взаємодією сил зчеплення між молекулами. Так, з підвищенням температури в'язкість тиксотропних та реопектантних рідин зменшується тому, що збільшується кінетична енергія і збільшуються середні відстані між макромолекулами, що полегшує подолання сил міжмолекулярної взаємодії.

З аналізу кривих в'язкості від швидкості зсуву слідує, що залежність не є лінійною. Так, для тиксотропних рідин (1) течія зростає по мірі збільшення швидкості зсуву, для реопектантних (4) течія зменшується зі збільшенням швидкості зсуву, але не перевищує деякого значення, а при швидкості зсуву =40 с^-1 течія збільшується.

В області малих швидкостей зсуву від 3 до 10 с-¹ спостерігається прямолінійна початкова ділянка для (1) та (3) - шведівський режим течії.

При збільшенні швидкості зсуву структурні зв'язки не встигають відновитися і течія відбувається в режимі з порушеною структурою.

Таким чином, на підставі дослідження реологічних характеристик оцінені аномально-в'язкі властивості досліджуваних розчинів, виявлено вплив концентрації, температури та швидкості зрушення на в'язкість системи в цілому.

ДОСЛІДЖЕННЯ РОБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПНЕВМОІМПУЛЬСНОГО НАСОСУ

В даному розділі приведено схему конструкції ПІН та досліджено його робочі характеристики на нен'ютонівських рідинах (содовий розчин, вода-борошно, розчин крохмалю).

В результаті проведених досліджень виявлено залежність пульсуючого режиму роботи насосу від “пружності” пружини, тому було виконано тарування пружин. Аналізуючи вплив “пружності” пружини на подачу насоса, встановлено, що при збільшенні оптимальної “пружності” пружини не досягається збільшення подачі.

При дослідженні впливу об'єму пневмокамери на подачу насоса встановлено, що при великому робочому об'ємі пневмокамери заданий об'єм стислого повітря повністю не виходить, а збільшення періоду пульсації негативно впливає на рух поршня рідини. В свою чергу, зі зниженням об'єму пневмокамери збільшується частота пульсації, що призводить до захлинення насосу і його малої подачі.

Незважаючи на реологічні особливості цих рідин, робочі характеристики змінюються несуттєво.

Згідно з отриманими результатами у подальшому було проведено критеріальний аналіз з метою отримання узагальненої залежності подачі ПІН від досліджуваних факторів.

Експериментальні дані дозволили отримати узагальнююче рівняння подібності:

.

Q=f(P, _п, , , , d),

деP - різність тиску;

_п - швидкість поршня;

- час заповнення пневмокамери, який є функцією від частоти пульсацій N та пружності пружини k(x);

- в'язкість рідини;

- густина рідини;

d - діаметр водопровода;

- модифікований критерій Єйлера;

- модифікований критерій Рейнольдса;

- модифікований критерій Струхаля;

N - частота пульсації;

_n - довжина поршня.

В даному розділі також досліджено гідравлічний опір середовища, що перекачується, від скважності. Аналіз отриманих кривих показав, що при імпульсному режимі транспортування розчинів соди, борошна, крохмалю, значно знижується опір даних середовищ.

ОЦІНКА ЕФЕКТИВНОСТІ ПНЕВМОІМПУЛЬСНОГО НАСОСУ

Ефективність транспортування залежить від конструкції пристрою та від загальної витрати енергії. Потужність, що споживається двигуном N_дв, дорівнює відношенню потужності, затраченої на стискання газу N_ст, до коефіцієнту корисної дії (ККД) насосу _к:

.

Потужність, що витрачається на стиснення М кг газу для контрольного процесу визначаємо за допомогою рівняння:

, [кВт],

,

де P₁=P_атм=101325 Па;

Р₂ - за дослідом, Па;

V₁ - об'ємна витрата газу, м³/с;

m - показник політропи розширення газу. m=1,4 (тому що теплообмін не встигає досягти значень, які треба враховувати у інженерних теоріях, тому значеннями теплообміну зневажаємо).

Результати експериментальних досліджень для різних об'ємів пневмокамер опрацьовані згідно з методами сучасної математичної статистики із залученням ЕОМ.

Результати розрахунку показують, що витрата повітря для різної інтенсивності змінюється від 2 до 10 м³/год. На підставі опрацьованих дослідних даних побудовано залежності Q, N, . Одержані результати дозволяють знайти діапазон оптимального використання ПІН.

МЕТОДИКА РОЗРАХУНКУ ПНЕВМОІМПУЛЬСНОГО НАСОСУ

Визначення подачі насоса.

При заданій подачі (теоретичній) дійсна визначиться за формулою:

Q_д=Q_тv

де Q_т - теоретична подача насосу, м³/с;

_v - об'ємний ККД поршневих насосів (_v=0,8-0,85).

В свою чергу Q_д при імпульсному режимі роботи знаходиться як:

, м³/с

де - імпульсна подача (за один цикл), м/с;

N - частота пульсації в секунду.

Імпульсна продуктивність знаходиться за відомою формулою:

, м³/с

де - теоретична швидкість перекачуваного середовища, м/с;

F - площа живого перерізу трубопроводу, м².

Швидкість перекачуваного середовища знаходимо за формулою:

, м/с

де Р - втрата тиску на подолання місцевого опору, Па;

_ж - густина рідини, кг/м³;

- коефіцієнт місцевого опору.

2. Визначення частоти пульсації.

При дослідженні залежності частоти пульсації від характеристик пружних елементів насосу (пружини та діафрагми) була виявлена залежність Q=f(k(x)) та отримано коефіцієнт , який в загальному випадку враховує пружність пружини (рекомендуємо =0,2…0,25).

Частота пульсації визначається за допомогою числа Струхаля:



3. Визначення робочого об'єму пневмокамери.

Витрата газу на перекачування рідини:

Q_г=k_nQ_д,

де Q_г - витрата газу, м³/с;

Q_д - дійсна подача насосу, м³/c;

k_n - коефіцієнт, який враховує залежність витрати газу від об'єму пневмокамери (приймаємо k_n=1,4-1,5).

Час заповнення пневмокамери:

, с.

де N - частота пульсації, с^-1.

Робочий об'єм пневмокамери:

V_пн=Q_г,

де Q_г - об'ємна подача газу, м³/с.

4. Вибір характеристик пружин.

Для досягнення заданої продуктивності необхідно визначити величину площі фланців, якщо відомий робочий об'єм пневмокамери. Задаючись висотою пневмокамери h, виходячи з конструктивних міркувань визначаємо:

.

Підберемо необхідний тиск для створення необхідного зусилля F_min та F_max, котре стискає пружину:

F_i=P_iS.

За отриманим зусиллям (F_i) підбираємо пружину необхідної пружності з використанням експериментальних даних по таруванню пружини.

5. Визначення діаметрів підвідних та відвідних трубопроводів.

З існуючих методик найбільш ефективним методом визначення діаметрів трубопроводів є:

,

де - об'ємна витрата газу (рідини), м³/с;

- швидкість газу (рідини), м/с.

На підставі техніко-економічних розрахунків встановлені рекомендовані межі зміни швидкостей (газів, рідин) в трубопроводах: для нен'ютонівських рідин - 1…3 м/с; для газів - 15…25 м/с.

6. Гідравлічні опори.

Важливість визначення втрати напору h_n або втрати тиску Р_n пов'язана з необхідністю розрахунку втрат енергії, які необхідно компенсувати для цих втрат та переміщення рідини.

Загальновідомо, що величина h_n не залежить від роду рідини і визначається за допомогою рівняння:

.

А величина втрати тиску Р_п залежить від її густини:

.

В даній роботі було встановлено, що при турбулентнім русі для визначення можливо використовувати рівняння:

=аRe^-b,

де a та b - коефіцієнти, одержані експериментально для різних середовищ, вони є функціями показника m e рівнянні Освальда де Віля. При m=1 значення даних коефіцієнтів співпадають із значеннями для н'ютонівських рідин (формула Блазіуса).

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

Проведені дослідження даної роботи підтверджують ефективність транспортування нен'ютонівських рідин пневмоімпульсним насосом (ПІН), тому що цей спосіб вибухобезпечний і екологічно чистий.

У результаті реологічного дослідження перекачуваних середовищ виявлено вплив концентрації, температури та швидкості зрушення на в'язкість системи в цілому; виявлені критичні значення концентрацій для розчинів соди (С=34%), для розчину борошно-вода (С=25%), при перевищенні яких в'язкість розчинів різко збільшується. З аналізу кривих значень в'язкості видно, що із збільшенням концентрації суттєво впливають дисперсність та індивідуальні властивості частинок. Одержані криві залежності в'язкості при різних температурах добре узгоджуються з теорією поведінки тиксотропних, ділатантних та реопектантних рідин.

Пневмоімпульсне транспортування відбувається за рахунок короткочасного впливу імпульсу, що дозволяє не підвищувати температуру системи, що забезпечує економію енергоресурсів та підвищує технологічність процесу. Завдяки імпульсному режиму роботи ПІН зменшується опір рідини, що сприяє збільшенню строку служби трубопроводу.

Одержана математична модель, що описує рух водяного поршня (пружинна модель пневмоімпульсного насоса).

Визначені час та довжина розгону водяного поршня, а також вивчена функція розподілу часу перебування водяного поршня у водоводі.

Подані методичні рекомендації по вимірюванню імпульсної витрати газу; отримані гідромеханічні характеристики (“подача-напір”) дозволяють визначити як об'ємну, так і масову витрату газу, якої потребує перекачування рідини.

Виявлено залежність подачі насосу від пружності пружини, частоти пульсації та об'єму пневмокамери. Встановлено, що при певних великих робочих об'ємах пневмокамери не досягається оптимальна подача насоса тому, що за короткочасну тривалість імпульса (порядку 0,15…0,25 с) заданий об'єм стислого повітря повністю не виходить з пневмокамери, що призводить до збільшення періоду пульсації та негативно відображається на русі поршня рідини у водоводі ПІН.

Отримано безрозмірне апроксимуюче рівняння, що визначає залежність подачі ПІН від основних факторів (перепад тиску, скважність, пружність пружини, швидкість поршня, в'язкість рідини та її густина).

Розроблено методику розрахунку ПІН, одержано коефіцієнт, який враховує пружність пружини, а також емпірична залежність для визначення частоти пульсації.

В результаті розв'язання задачі оптимізації отримані оптимальні конструктивні розміри ПІН для заданої подачі. Наприклад, при подачі насоса 10 м³/год рекомендуються:

об'єм пневмокамери0,002 м³;

пружність пружини0,09 мм/кг;

діаметр зворотнього клапану0,025 м.

Оптимальний режим роботи:

робочий тиск у пневмокамері0,25 МПа;

частота пульсації0,9 с.

Рекомендації

Розроблена конструкція насоса дозволяє у широкому діапазоні змінювати характеристики по скважності, дозволяє зменшити витрату повітря в 2-3 рази у порівнянні зі струминними насосами.

Рекомендована методика розрахунку ПІН дозволяє оцінити техніко-економічні показники різних типів їх конструкції.

Область використання ПІН:

харчова промисловість;

в технології очистки стічних і забруднених вод від органічних сполук.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНИЙ В РОБОТАХ

Стоянова О.В., Михайлик В.Д., Самохвалов В.С., Пятак О.В. Пневмоимпульсный способ транспортирования неньютоновских жидкостей // Киев. Экотехнологии и ресурсосбережение. - 1997. - №3. - с. 71-72.

Стоянова О.В., Михайлик В.Д., Самохвалов В.С., Пятак О.В. Исследование реологических характеристик неньютоновских систем // Херсон. Вестник ХГТУ. - 1997. - №1. - с. 176-178.

Самохвалов В.С., Пятак О.В. Михайлик В.Д., Стоянова О.В., Методические особенности измерения импульсного расхода газа // Актуальные проблемы техники и технологии текстильной промышленности: Сб. научных трудов. - Херсон. - 1997. - с. 103-106.

Михайлик В.Д., Стоянова О.В., Пятак О.В., Самохвалов В.С. Конструктивные особенности пневмоимпульсного насоса // Актуальные проблемы техники и технологии текстильной промышленности: Сб. научных трудов. - Херсон. - 1997. - с. 107-109.

Пятак О.В., Стоянова О.В., Михайлик В.Д., Самохвалов В.С., Глухов Г.Н. Основные направления развития техники пневмоимпульсных насосов // Актуальные проблемы техники и технологии текстильной промышленности: Сб. научных трудов. - Херсон. - 1997.- с. 110-111.

Михайлик В.Д., Стоянова О.В., Самохвалов В.С. Математическая модель пневмоимпульсного насоса // Херсон. Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы. - 1998. - №1. - с. 5-11.

Заявка на патент № 97010196 от 20.01.97. Пневмоимпульсный способ транспортирования неньютоновских систем // Стоянова О.В., Михайлик В.Д., Пятак О.В., Самохвалов В.С., Курилко А.В.

Стоянова О.В., Михайлик В.Д., Пятак О.В., Самохвалов В.С. Повышение эффективности транспортирования высококонцентрированных дисперсных систем // Експрес-новини. - Київ, 1997. - №9-10. - с. 31.

Стоянова О.В., Михайлик В.Д., Самохвалов В.С. Пятак О.В., Разработка и создание пневмоимпульсной техники и технологий // Херсон ХГТУ. Тезисы докладов научно-практической конференции “Научно-технический прогресс в переходный период развития Украины”. - 1995.

Михайлик В.Д., Самохвалов В.С., Стоянова О.В., Пятак О.В. Глухов Г.Н. Перспективность совершенствования пневмоимпульсных насосов в машиностроении // Сб. трудов международной научно-технической конференции “Прогрессивные технологии машиностроения и современность” / Севастополь. - 1997. - с. 173.

АНОТАЦІЯ

Стоянова О.В. Підвищення ефективності пневмоімпульсного транспорту нен'ютонівських рідин. - Рукопис.

Дисертація на здобуття ступеню кандидата технічних наук по спеціальності 05.18.12 - Процеси та апарати харчових виробництв. - Український державний університет харчових технологій, Київ, 1999.

В дисертації приводяться дані про особливості транспортування нен'ютонівських рідин та запропонована конструкція пневмоімпульсного насоса для підвищення ефективності транспорту таких рідин на прикладі водних розчинів борошна, крохмалю, соди. Отримані реологічні характеристики таких систем. Розроблена методика розрахунку пневмоімпульсного насоса.

Отримана математична модель пневмоімпульсного циклу насоса, яка дає можливість проаналізувати вплив параметрів пульсації на гідродинамічні характеристики нен'ютонівської рідини.

Подані практичні рекомендації по ефективному використанню наслідків досліджень в харчових та хімічних виробництвах.

Ключові слова: нен'ютонівська рідина, пневмоімпульсний насос, реологічні характеристики.

SUMMARY

Stoyanova O.V. The rise of efficiency pneumo-impulse transport of non-Newton fluids. - Manuscript.

Dissertation for candidate of technical science of the profession 05.18.12 - Processes and apparatuses food industry. - the Ukrainian State University of Food Technologies, Kiev, 1999.

The thesis covers the information about the peculiarities of transportation of non-Newton fluids. The thesis also offers the construction of pneumo-impulse pump for increasing of efficiency transport non-Newton fluids (aqueous solution flour, starch, soda).

The reological characteristics of aided systems are obtained. A methods of calculation of pneumo-impulse pump has been worked.

A mathematics model of pneumo-impulse transport is proposed, which let possibility to analyze influence of parameters pulsation on hydrodynamic characteristics of heterogeneous system. The practical recommendation for effective using of results aids in food and chemical industry are given.

Keywords: non-Newton fluids, pneumo-impulse pump, reological characteristics.

АННОТАЦИЯ

Стоянова О.В. Повышение эффективности пневмоимпульсного транспорта неньютоновских жидкостей. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств. - Украинский государственный университет пищевых технологий, Киев, 1999.

В диссертации приводятся сведения об особенностях транспортирования неньютоновских жидкостей и предложена конструкция пневмоимпульсного насоса для повышения эффективности транспортирования таких жидкостей на примере водных растворов муки, крахмала, соды. Проведены реологические исследования перекачиваемых жидкостей на структурном вискозиметре ротационного типа “Reotest -2” (Германия). На основании реологических измерений определены следующие характеристики: характер вязкого течения, зависимость вязкости от скорости сдвига, зависимость вязкости от концентрации и температуры. Исследовано влияние различных факторов на вязкость системы в целом. Показана возможность оптимизации процесса транспортирования при импульсном режиме работы.

Получена математическая модель пневмоимпульсного транспорта, которая дает возможность проанализировать влияние параметров пульсации на гидродинамические характеристики гетерогенной системы. Получено решение уравнения равновесия импульсов, определены время и длина разгона водяного поршня, изучена интегральная функция распределения времени пребывания водяного поршня в водоводе пневмоимпульсного насоса.

Выявлена зависимость производительности насоса от жесткости пружины, частоты пульсации и объема пневмокамеры.

Даны практические рекомендации по измерению импульсного расхода газа, полученные гидромеханические характеристики позволяют определить объемный и массовый расход газа, требуемый на перекачивание жидкости.

Получено критериальное уравнение, определяющие зависимость производительности пневмоимпульсного насоса от основных факторов: разность давления, скважность, жесткость пружины, скорость поршня, вязкость жидкости, плотность жидкости.

Произведена оценка эффективности пневмоимпульсного насоса. Результаты экспериментальных исследований обработаны в соответствии с методами современной математической статистики. Из проведенных экспериментов сделан вывод о выборе оптимального размера пневмокамеры.

Разработана методика расчета пневмоимпульсного насоса. Определялось производительность насоса, частота пульсации, рабочий объем пневмокамеры, характеристики пружины, диаметры подводящих и отводящих трубопроводов, гидравлические сопротивления. Приведен пример расчета пневмоимпульсного насоса.

Проведена оптимизация процесса транспортирования неньютоновских жидкостей пневмоимпульсным насосом. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий проводилось в двух направлениях: в выборе конструктивных размеров пневмоимпульсного насоса и оптимальных режимов его работы. После определения адекватности модели получено наглядное представление о диаметрическом образе изучаемой функции отклика. Определены оптимальные соотношения нескольких типо размеров пневмоимпульсного насоса и на основании их выведены эмпирические формулы для расчета оптимальных размеров насосов.

Ключевые слова: неньютоновские жидкости, пневмоимпульсный насос, реологические характеристики.

Размещено на Allbest.ru