Исследование волнового смесителя жидких сред

Панин, Сергей Сергеевич

Исследование волнового смесителя жидких сред тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Панин, Сергей Сергеевич АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.06 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Исследование волнового смесителя жидких сред»

Автореферат диссертации на тему "Исследование волнового смесителя жидких сред"

На правах рукописи

00501264а

Панин Сергей Сергеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛНОВОГО СМЕСИТЕЛЯ ЖИДКИХ СРЕД

Специальность 01.02.06-«Динамика, прочность машин, приборов и

аппаратуры»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 Г^ДР Ш

Москва-2012

005012649

Работа выполнена в лаборатории колебаний и волновых процессовФилиала ФГБУН Института машиноведения им. А.А. Благонравова РАН «Научном центре нелинейной волновой механики и технологии РАН».

Научный руководитель -

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, академик РАН, директор ИМАШ РАН Ганиев Ривнер Фазылович

доктор технических наук, зав. лаборатории «Проблем энергосбережения» ФГБУН Объединённого института высоких температур РАН Зайченко Виктор Михайлович

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО Ижевского государственного технического университета Филькин Николай Михайлович

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО Московский государственный

строительный университет.

Защита диссертации состоится 21 марта 2012года в 12-00 часов назаседании диссертационного совета ДМ002.059.04 при ФГБУН Институте машиноведения им А.А. Благонравова РАН по адресу: 119334, г. Москва ул. Бардина, д.4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке при ИМАШ РАН по адресу: 119334, г. Москва ул. Бардина, д.4.

Автореферат разослан 20 февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Процессы перемешивания жидких сред составляют значительную долю технологических операций во многих отраслях современной промышленности. Особенно широко перемешивание встречается в: пищевой отрасли; химической промышленности; строительной индустрии при 1 приготовлении строительных растворов; косметической промышленности; нефтедобыче, нефтепереработке и т.д.

Основная задача перемешивания состоит в получении однородных растворов, дисперсных систем, интенсификации процессов химического превращения, массо- и теплопереноса. Перемешивание происходит либо самопроизвольно за счёт ' молекулярной диффузии,либо за счёт дополнительного ввода энергии в рабочую среду.

Существует множество классов перемешивающих устройств. К одному из наиболее распространённых классов относятся аппараты с механическими перемешивающими устройствами. В большинстве случаев, перемешивание в этих аппаратах осуществляется за с(ст увлечения перемешиваемой среды вращающимися рабочими органами. Данный принцип перемешивания имеет множество существенных недостатков, связанных с образованием застойных зон в рабочем объёме, которые появляются по причине замкнутости траекторий движения рабочих органов. Эту проблему в основном решают за счёт усложнения траекторий движения рабочих органов и усложнения их геометрии, увеличения скоростей вращения, наложения вибраций и акустических полей, введения в объём жидкости всевозможных отражательных перегородок. Но решение одной проблемы зачастую влечет за собой возникновение других, таких как: чрезмерное усложнение конструкций смесителей, увеличение металлоемкости и рост их стоимости, а главное, значительно усложняет применение данных решений в аппаратах, перемешивающих вязкие среды. Поэтому очевидно, что дальнейшее развитие перемешивающих аппаратов в направлении усложнения традициошгых методов не имеет практических перспектив, следовательно, необходимо разрабатывать новые принципы перемешивания.

Наиболее перспективной научной базой для реализации разработок новых перемешивающих устройств является нелинейная волновая механика, основанная коллективом исследователей под руководетвомакадемика Ганиева РивнераФазыловича. В результате проведённых ими исследований, к настоящему времени открыт и подтверждён экспериментально ряд новых волновых эффектов в области динамики поведения жидких сред, в том числе многофазных. Наиболее интересными являются эффекты изменения физических и реологических свойств ряда сред, подвергнутых волновой обработке и эффект волновой интенсификации массообменных процессов.

прогрессивных технологий. Хорошие перспективы открыты для разработки и внедрения новых типов смесителей, обладающих превосходящими характеристиками за счёт реализации эффектов нелинейной волновой механики. Эта работа является развитием направления по созданию волновых машин и аппаратов.

На основании вышесказанного можно заключить, что, несмотря на всё многообразие существующих перемешивающих устройств, работы в области исследования и разработки *новых принципов перемешивания и аппаратов, реализующих эти принципы, являются актуальной задачей. '! Цель работы. Получение новых научных данных о динамике процессов волнового перемешивания жидких сред, основанных на явлениях и эффектах нелинейной волновой механики.

Основные задачи исследований.

Анализ существующих решений в области перемешивания жидкостей, а также явлений и эффектов нелинейной волновой механики в области динамики поведения жидких сред при волновых воздействиях.

Разработка методики проектирования резонансного колебательного привода волнового смесителя и установок для изучения динамики процессов волнового перемешивания.

Разработка методик и проведение экспериментальных исследований с целью определения оптимальной геометрии рабочего органа волнового смесителя и подтверждения эффектов волнового перемешивания. Исследование резонансных режимов колебательного привода, разработка оптимизированной конструкции волнового смесителя жидкостей на основании полученных результатов и разработанных методик.

Научная новизна.

На основе анализа существующих методов перемешивания жидкостей и современных перемешивающих устройств, а также явлений и эффектов нелинейной волновой механики предложена принципиально новая модельволнового смесителя жидких сред.

Получены экспериментальные картины течения жидкости, порождаемой колеблющимся телом несимметричной формы, затопленным в жидкость, выявлена зависимость осреднённой скорости течения от амплитуды колебаний.

Разработана научно обоснованная методика проектирования резонансного самоуравновешенного возбудителя крутильных колебаний.

В качестве примера приведены экспериментальные данные по воздействию волнового перемешивания на физические свойства нескольких типов жидкостей различной вязкости.

Апробация работы.

Результаты диссертационной работы и основные положения докладывались на:Международной научной школе молодых учёных и специалистов «Механика неоднородных жидкостей в полях внешних сил:Вихри и волны», ИПМ РАН, Москва 2011г.;Всероссийской научной школе молодых учёных «Механика неоднородных жидкостей в полях

внешних сил», ИПМ РАН, Москва 2010г.; 24-ом Симпозиуме по реологии, ИНХС РАН,Карачарово 2008г.;2-й Международной научно-технической конференции Стройхимия 2005, г. Киев 2005г.; XXIII Российской школе по проблемам науки и технологий, Миасс 2003г.; ежегодных семинарах НЦ НВМТ РАН.

Практическая ценность.

Разработанный волновой смеситель жидкостей позволяет осуществлять перемешивание жидких сред вязкостью до 200Па*с, с превосходящим существующие образцы смесителей качеством перемешивания при соразмеримых или меньших энергозатратах. Также волновой смеситель позволяет осуществлять воздействие на физические, реологические, строительно-технологические свойства перемешиваемых сред. Модульная конструкция волнового смесителя позволяет без существенных дополнительных затрат встраивать его в различные технологические линии пищевой, косметической, химической и многих других отраслей современной промышленности.

Публикации.

Основные научные положения и результаты диссертационной работы освещены в 12-ти печатных работах, в том числе 3 статьи в научных журналах, входящих в перечень ВАК.

Структура и объём работы.

Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав, основных выводов и рекомендаций, списка использованной литературы из 96 наименований и двух приложений. Работа изложена на 114 страницах машинописного текста и содержит 51 рисунок и 2 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулированы цели и задачи работы, её научная новизна и практическая ценность.

В первой главе на основаниианализа литературных источников отечественных и зарубежных исследований в области перемешивания жидкостей приведён критический анализ существующих аппаратов для перемешивания. Представлен обзор новых явлений и эффектов, открытых коллективом исследователей под руководством академика Р.Ф.Ганиева. Дано описание механизмов волновой интенсификации процессов перемешивания, показаны эффекты волновой механики, приводящие к существенному изменению характеристик неньютоновских сред.

Процессы перемешивания очень распространены в современной промышленности. В настоящее время разработано огромное количество различных типов смесителей жидкости для всего многообразия 'перемешиваемых сред. Задачи перемешивания и гомогенизации жидких сред ' повсеместно встречаются в различных технологических линиях.

Наибольшее распространение получили аппараты с вращающимися мешалками. Данные аппараты способны обеспечить требуемое качество перемешивания применительно к маловязким жидкостям.

Теоретическому и практическому изучению процессов перемешивания посвящены работы многих отечественных и зарубежных авторов. Среди них такие ученые как: В.Г. Айнштейн, Г. Аккер, Л.Н. Брагинский, Э.А. Васильцов, Р.Ф. Ганиев, В.В. Кафаров, И.М. Костин, С, Кампбелл, Д. Отгино, Л.Е. Украинский, Ф. Холланд, Ф. Чапман и многие другие.

' Существенное влияние на протекание процесса перемешивания и, как следствие, на конструктивные особенности смесителя оказывает вязкость перемешиваемой среды. Как известно, одним из основных факторов, способствующих интенсивному перемешиванию компонентов жидкой среды, является поддержание в перемешивающем устройстве турбулентного режима течения.

Перемешивание средмалой и средней вязкости не представляет существенных трудностей. Турбулентный режим течения в аппаратах с вращающимися мешалками обеспечивается за счёт развитых поверхностей рабочих органов, увеличения частот вращения, установки в корпусе смесителя отражающих перегородок и других решений.

С ростом вязкости перемешиваемой среды всё более проблематичным становится обеспечивать в жидкости значения числа Рейнольдса,необходимые для турбулентного течения. Становится невозможным применение вышеперечисленных методов радиобеспечения турбулентного режима перемешивания, мало того, при ламинарном течении данные методы становятся неэффективны.Поэтому конструкция ламинарных смесителей, применяемых для перемешивания высоковязких сред, существенно отличается. Основной задачей при ламинарном перемешивании являетсясоздание общей циркуляции внутри корпуса смесителя. Для решения этой задачи и создания обширных сдвиговых деформаций перемешиваемой среды приходится использовать рабочие органы, обладающие существенно более развитой по объёму рабочей поверхностью. Рост поверхности рабочих органов,вместе с высокой вязкостью среды, приводит к существенному увеличению потребной энергии на преодоление диссипативной нагрузки.

Также следует отметить общую проблему всех аппаратов с вращающимися мешалками, заключающуюся в возможности образования застойных зон. Рабочие органы таких смесителей, как правило, совершают движение по замкнутым траекториям. Замкнутость траекторий, особенно в случае ламинарного перемешивания, может приводить к образованию внутри перемешиваемой среды локальных участков с замкнутыми линиями тока и ограниченным массообменом с общим объёмом смесителя.

Наряду с широко распространёнными типами смесителей с вращающимися мешалками, находят своё применение различные типы специальных перемешивающих устройств. Касаемо интенсификации перемешивания высоковязких жидкостей выявлено, что определённое положительное влияние оказывает наложение вибрационных полей.

С точки зрения конструктивного исполнения, в подавляющем большинстве смесители жидкостей представляют собой некий герметичный корпус, внутри которого размещены один или несколько вращающихся рабочих органов. Динамика подобных конструкций хорошо изучена и не представляет серьёзного исследовательского интереса.

Применение вибрационных воздействий, как правило, сводится к возбуждению низкочастотных возвратно-поступательных колебаний либо на корпусе смесителя, либо на рабочих органах, погружаемых в перемешиваемую среду. Наложения колебаний,в ряде случаев, позволяет достигнуть существенной интенсификации и процессов перемешивания. В литературных источниках встречаются различные типы вибрационных смесителей, однако области применения обычно ограничиваются перемешиванием маловязких сред, либо порошкообразных материалов.

Одна из основных проблем, встречающаяся в вибрационных смесителях, заключается в необходимости проведения конструктивных мероприятий, связанных со снижением реактивных вибрационных нагрузок, передаваемых на основания смесителей. В ряде конструкций данная проблема решается установкой аппарата на виброизолирующие опоры, в других случаях вводятся дополнительные реактивные массы, предназначенные для уравновешивания «вредных» инерционных сил.

Несмотря на некоторые преимущества, вибрационные смесители жидкостей в настоящее время не нашли широкого применения в промышленности. Возможно, это связано с достаточно узкой специализацией подобного рода устройств и повышенными требованиями к. их виброизоляции. . . , ,

На протяжении последних десятилетий проведён широкий спектр научно-исследовательских работ по изучению колебательных волновых форм движения в различных многофазных средах. В процессе работ были математически обоснованы и практически реализованы в лабораторных условиях новые волновые явления и эффекты, некоторые из которых находят своё применение в решении задач по перемешиванию высоковязких жидких сред. Работы в данной области принадлежат коллективу сотрудников НЦ НВМТ РАН.

Одна из основных идей волнового перемешивания основывается на возможности организации сложных пространственных течений жидкой среды за счёт взаимодействия её с твердыми телами (рабочими органами смесителя), погруженными в перемешиваемую среду и совершающими колебания относительно неё. Иными словами, возможна организация переноса массы перемешиваемого состава по всему объёму за счёт исключительно колебательного воздействия. При этом данный способ организации течения позволяет реализовывать в одном объёме сложные разнонаправленные течения (вплоть до встречных) со значительным относительным сдвигом жидкой среды, отсутствием застойных зон и распространением в объёме сдвиговых волн. Такой режим движения среды позволяет обеспечить интенсивное перемешивание в сочетании с волновым воздействием, которое,

в свою очередь, позволяет добиваться качественна новых результатов, связанных с изменением физических и реологических свойств перемешиваемой среды. В качестве примера можно упомянуть результаты, полученные при участии автора при исследовании волнового воздействия на глинистое сырьё, используемое при производстве цемента., В , данных экспериментах, в процессе волнового воздействия, достигнуто, более чем 10-ти кратное снижение динамической вязкости сырья, имевшего исходную динамическую вязкость» около 9 Па • с. НарисЛпредставлена экспериментальная зависимость изменения динамической вязкости от времени волнового воздействия.

Т),Па с

I, мим

Рисунок1. Зависимость изменения динамической вязкости цементного сырья от времени волновой обработки

Также в НЦ НВМТ РАН было показано, что сам факт наложения волновых полей на перемешиваемую среду существенным образом интенсифицирует локальные процессы перемешивания. Для оценки качества перемешивания ведён параметр1л(Т)- среднее относительное удлинение, интегрально характеризующее степень перемешивания в данном процессе за данное время. На рис.2представлены зависимости безразмерного параметра

- h v

U — U - ~ от безразмерного времени осреднения т = Т • - для двумерной задачи перемешивания внутри замкнутого объёма. Кривая 1 соответствует отсутствию колебаний (u/v = 0); кривые 2,3,4 - колебаниям (u/v = 4) с

_ toh _ и я

безразмерными частотами— = 2тт,-,- соответственно.

0.4 t'

•а'з fv

0.2 \

0 1 И

_ .л .

Рисунок 2 8

Из графика видно, что колебания существенно повышают интенсивность перемешивания, начиная с первых мгновений воздействия, по сравнению со случаем чисто стационарного течения, в дальнейшем, по мере повышения степени однородности системы, интенсивность перемешивания усредняется.

Анализ существующих перемешивающих устройств показал, что вышеизложенные эффекты в современных аппаратах не используются. Одним из малоизученных перспективных направлений для исследовательской деятельности является практическая реализация вышеописанных эффектов в аппаратах для перемешивания жидких сред. Дальнейшая работа была посвящена получению исходных данных и разработке научных методик, на основании которых при участии автора был разработан резонансный волновой смеситель жидкости.

Математическое моделирование динамики процессов перемешивания представляет собой достаточно сложную задачу даже в двумерных случаях.Простейший двумерный случай задачи оценки эффективности течения с точки зрения перемешивания, результаты которой представлены на рис.2, очень трудоёмок и требует серьезных вычислительных мощностей. Кроме того, следует учитывать ранее упомянутые факты воздействия волн на характеристики самой перемешиваемой среды, которые в сочетаниитакже усложняют поставленную задачу.

Основываясь на теоретических результатах в области нелинейной волновой механики, дальнейшая работа носит преимущественно экспериментальный характер. Для определения оптимальных параметров рабочего органа волнового смесителябыли проведены экспериментальные исследования динамики процессов перемешивания в лабораторных установках. Также было проведено моделирование и исследование динамики колебательной системы волнового смесителя.

Вторая глава посвященаизучению динамики процессов волнового перемешивания реальных жидкостей и разработке методики проектирования резонансного возбудителя крутильных колебаний. На основании полученных результатов этих исследований в дальнейшембыл разработан волновой смеситель жидких сред.

Имея предварительные исходные данные по эффектам интенсификации волнового перемешивания необходимо определиться с конструктивной схемой создаваемого волнового смесителя, в котором будут реализованы эти эффекты. Изначально была поставлена задача разработки волнового смесителя жидкости с рабочим объёмом 8-10л., осуществляющего режим волнового перемешивания в периодическом и непрерывном режиме, питающегося от сети переменного тока общего назначения. При этом конструкция колебательного привода смесителя должна быть полностью уравновешена и не требовать дополнительных мер виброизоляции.

В общем случае, смеситель имеет два основных узла, а именно: рабочую камеру, в которой перемешивается обрабатываемый состав и энергетический привод, за счёт которого приводятся в движение рабочие органы.

Процесс перемешивания в волновом смесителе осуществляется при непосредственном возбуждении волнового поля в перемешиваемой среде за счёт колебательных движений множества тел рабочего органа, погружённых в жидкость и имеющих особую геометрию сечения.

Эффективность работы волнового смесителя, в значительной мере, определяется интенсивностью колебаний рабочего органа, которая зависит от частоты возбуждения и подводимой мощности. Поэтому, наиболее эффективными с этой точки зрения являются резонансные машины. В колебательной системе, находящейся в резонансном состоянии, упругие и инерционные силы взаимно уравновешиваются, а энергия возбудителя колебаний расходуется только на преодоление диссипативных сил. При этом энергия привода используется наилучшим образом. Кроме того, подбором соответствующих форм колебаний в случае многомассовой колебательной системы с несколькими упругими элементами можно полностью вовлечь в колебательную систему все конструктивные элементы генератора колебаний. Таким образом, становится возможным свести внешние реактивные нагрузки практически к нулю. В этом случае необходимость в какой-либо дополнительной виброизоляции отпадает.

Общая конструктивная схема волнового смесителя представлена на

рис. 3

Перемешивание среды осуществляется в рабочей камере 1,внутри которой располагается рабочий орган 6, приводимый в движение резонансным возбудителем колебаний. Резонансный возбудитель крутильных колебаний представляет собой единую колебательную систему, состоящую из инерционных элементов и упругих торсионов 2. К инерционным элементам относится рабочий орган смесителя, ротор и статор электродинамического генератора колебаний 3. В качестве генератора колебаний первоначально

использовались традиционные двигатели постоянного тока, запитанные по специальной схеме, в дальнейшем в НЦ НВМТ РАН для этих целей была разработана специальная многополюсная электрическая машина, обладающая существенно превосходящим моментом. Для обеспечения общей дополнительной циркуляции перемешиваемой среды предусмотрено общее вращение рабочей, камеры посредством электрического, привода 5, внутри рабочей камеры установлены дополнительные перемешивающие лопатки. Следует отметить, что в дальнейшем от этик элементов удалось отказаться, по причине того, что экспериментальные исследования показали достаточную интенсивность только волнового перемешивания. Выгрузка готовой смеси производится через устройство 8. Для удобства эксплуатации и возможности исследования гравитационной составляющей в процессе перемешивания предусмотрен поворотный узел 4, позволяющий наклонять рабочую камеру относительно вертикального положения.

Отталкиваясь от общей конструктивной схемы волнового смесителя, для дальнейшего продолжения работ необходимо получить ответы на некоторые вопросы. Во-первых - ка*сую геометрию тел рабочего органа использовать? Во-вторых - достаточна ли будет интенсивность волнового течения в перемешиваемой среде или будет необходимо использовать дополнительные рабочие органы для осуществления глобальной циркуляции в рабочем объёме? И наконец, какую колебательную схему использовать при создании резонансного возбудителя колебаний?

Выбор именно крутильных колебаний обусловлен тем, что позволяет создать компактный рабочий орган. Осесимметричные конструкции легко уравновешиваются. В случае чисто крутильных колебаний возможно использование традиционных подшипниковых опор и уплотнений. При таких колебаниях отсутствуют поперечные нагрузки на опоры.

Рассмотрим математическую модель привода крутильных колебаний. В нашем случае, мы имеем 2 инерционные массы, совершающие крутильные колебания, это рабочий элемент и ротор генератора колебаний. Кроме того, в электродинамической системе генератора колебаний обязательно будет передаваться реактивный момент на его статор.

В простейшем случае резонансная система может быть построена по следующей схеме (рис.4).- Положим, что рабочий орган обладает моментом инерции а ротор генератора колебаний моментом инерции 5г. Их связывает упругий торсионный элемент с жёсткостью на кручение сь

Рисунок 4. Двухмассовах резонансная система крутильных колебаний Дифференциальные уравнения движения для данной системы можно записать в виде:

С;

Система внутри себя является самоуравновешенной, однако следует учесть тот факт, что на статор двигателя будет передаваться реактивный момент, который, в свою очередь, будет передаваться на внешние конструктивные элементы, вызывая в них паразитные вибрации.

Для решения этой проблемы необходимо включить статор генератора колебаний в колебательнуй) систему. Схема трёхмассовой' системы • с двумя упругими элементами представлена на рис. 5. ,

/<!Ъ'

Фз

Х-І.

У'

Рисунок 5. Трёхмассовая резонансная система крутильных колебаний

Дифференциальные уравнения движения для этой системы можно записать в виде:

Продифференцировавданную систему уравнений можно найти собственные частоты и собственные формы крутильных колебаний. Система имеет две ненулевых собственных частоты и соответствующие им две формы колебаний. Типичные безразмерные формы колебаний для первой и второй ненулевых собственных частот показаны на рис. 6а,б соответственно. А],А2, Аз-безразмерные приведённые амплитуды крутильных колебаний соответствующих масс. ;

2г -

а) б)

Рисунок 6. Безразмерные собственные формы крутильных колебаний трёхмассовой системы

Использование трёхмассовой схемы крутильных колебаний открывает дополнительные возможности её практической реализации. Становится возможным телескопическое размещение упругих элементов, что позволит сделать систему полностью замкнутой. Такая система показана на рис. 7.

мс = -м

Ь'Щ

Рисунок 7. Замкнутая трёхмассовая система.

В этой системе Ji . момент инерции статора генератора колебаний, ]2. момент инерции рабочего органа, J3 . момент инерции ротора генератора колебаний. Как известно, в резонанснойсистеме не имеет значения к какой из масс прикладывать возбуждающую нагрузку, главное условие это совпадение фаз прилагаемой нагрузки с фазами соответствующей резонансной формы колебаний. Исходя из этого, для полного устранения внешних реактивных нагрузокнеобходимо подобрать такую форму колебаний, которая будет иметь сдвиг фаз ротора генератора колебаний относительно статора равным 180°. Применительно к системе, показанной на рис. 7, этому требованию удовлетворяет форма колебаний, показанная на рис ба.На этой форме амплитуды Ai и А3 имеют сдвиг по фазе равный 180°.

Следующий принципиальный момент, имеющий интересен с практической точки зрения - это наличие узловых точек на торсионах. В случае резонансных колебаний поворот сечения торсиона в этих точках равняется нулю. Данный факт позволяет нам зафиксировать всю систему от возможного её вращения как единого целого. Главное условие такой фиксации - сохранение возможности передачи касательных напряжений по сечению торсиона.

В процессе работ было исследовано два варианта узла фиксации: защемление и сварка. Оба варианта фиксации показали удовлетворительные результаты, какого-либо существенного изменения формы колебаний и резонансной частоты системы замечено не было.

Для получения исходных данных, необходимых для разработки геометрии рабочего органа, исследований динамики резонансного возбудителя колебаний и подтверждения эффектов волнового перемешивания в данном типе волнового смесителя было разработано две экспериментальных установки. Первая установка предназначена для визуального изучения течений жидкости в плоском слое, порождаемых колеблющимися телами (рис. 8).Вторая установка (рис. 9) представляет собой макет основных узлов создаваемого волнового смесителя. Она позволяет проводить исследования процессов перемешивания в объёмном сосуде и отрабатывать режимы возбуждения колебаний в электромеханической части.

Лабораторная установка для визуального исследования течений жидкости, порождаемых колеблющимися телами (рис. 8)состоит из рабочей камеры 3, щелевого источника света 1, механизма возбуждения колебаний, включающего в себя электродвигатель 4, управляемый частотным преобразователем 2,и кривошипно-шатунный механизм 5. Контроль частоты колебаний рабочего элемента осуществляется фототахометром 6. Для

привязки полученных изображений к реальному масштабу в поле кадра устанавливалась масштабная линейка 9.

В рабочей камере установлена съёмная подвижная стенка (рабочий орган), приводимая в движение кривошипно-шатунным механизмом. На подвижной стенке производится установка различных тел специальной формы в различных комбинациях. Исследуемая геометрия рабочего органа погружается в жидкость с добавлением контрастного вещества (в большинстве экспериментов использовалась алюминиевая пудра) (10).

Во время проведения исследований фиксация траекторий течения жидкости осуществлялась скоростной видеокамерой, либо цифровой фотокамерой 7. Обработка полученных изображений и видеозаписей проводилась с использованием ЭВМ 8. Исследование видеозаписей и серий цифровых снимков, сделанных с различным временем экспонирования, позволило получить визуальные картины траекторий течений плоского слоя жидкости, находящегося в области подсветки щелевым источником света, и получить скорости течения жидкости в интересующих областях слоя.

Рисунок 8. Лабораторная установка для визуального изучения течений жидкости в плоском слое

Рисунок 9 Лабораторный волновой смеситель

Известным является факт, что при возвратно-поступательных колебаниях цилиндрических тел, полностью погруженных в жидкость, наряду с распространением волн в жидкой среде возникают слабые локальные течения в непосредственной близости от колеблющегося тела, связанные с нелинейными эффектами в жидкости. Интенсивность таких течений явно недостаточна для осуществления общего массообмена во всём объёме смесителя. Использование несимметричного профиля колеблющегося тела существенным образом интенсифицирует течение жидкости, порождаемое телом. Такие течения могут обладать достаточной скоростью для осуществления массообмена во всём объёме смесителя.

Проведена серия экспериментов, целью которых ставилось определение оптимальных параметров колебаний единичного тела. В качестве колеблющегося тела использовалась лопатки лунообразного профиля. Такая форма наиболее оптимальна с точки зрения технологичности дальнейшего производства, при этом обладает существенной «насосной» характеристикой, по сути, представляющей собой скорость течения жидкости, порождаемого колебаниями единичного тела. Пример одной из картины траекторий течения воды, порождаемого колебаниями единичного тела, показан на рис. Ю.Выдержка 1/60с.

В результате статистической обработки результатов 76 фотографий течений удалось получить зависимость «насосной» эффективности единичного тела лунообразного профиля от амплитуды его колебаний представлена на рис. 11. Из графика видно, что существует некоторый предел, после которого дальнейшее увеличение амплитуды колебаний рабочего органа является нецелесообразным. Полученные данные в дальнейшем будут использованы для определения необходимых геометрических размеров элементов рабочего органа при создании волнового смесителя жидкости.

Ум/с

Рисунок 10. Картина течения в жидкости, порождаемая колебаниями единичного тела лунообразной формы (негатив).

0 1 2 3 4 5 А,ММ

Рисунок 11. Зависимость насосной характеристики единичного тела лунообразной формы диаметром 10мм от амплитуды его колебаний для частоты 30 Гц.

Для дальнейшего изучения процессов волнового перемешивания в объёмной среде (в отличие от плоского слоя, реализованного в предыдущей установке) и отработки взаимодействия основных узлов волнового смесителя был создан лабораторный волновой смеситель. Общий вид смесителя представлен на рис. 9. Смеситель состоит из сменной рабочей емкости 1, внутри которой располагается рабочий орган 2, приводимый в действие резонансным возбудителем колебаний, состоящим из электродинамического генератора колебаний 3, двух телескопических торсионов 4,6 и реактивной массы 7. Узел фиксации узловой точки 5 выполнен на сварке. Рабочий орган может собираться в различных вариациях формы и расположения активных элементов. Для более широкого изучения режимов смешения возможна

организация вращения рабочей емкости посредством привода 8. Управление задающей частотой генератора колебаний осуществляется посредством преобразователя частоты 9. Максимальный рабочий объём установки составляет 5 л., энергопотребление в .резонансном режиме 125 Вт. Возбудитель колебаний в лабораторном смесителе выполнен по незамкнутой схеме. Статор двигателя установлен непосредственно на станину, а не на реактивную массу. В качестве генератора колебаний использовался двигатель постоянного тока, на ротор которого подавалось переменное напряжение.

Испытания лабораторного волнового смесителя показали состоятельность предложенной конструктивной схемы. Проведены исследования форм колебаний

Для изучения степени воздействия процессов волнового перемешивания на качество получаемых смесей были проведены исследования строительно-технологических характеристик цементных растворов и реологических характеристик полимерных композиций на основе латекса.

Результаты экспериментальных исследований воздействия волн на физические свойства многофазной смеси на основе стиролакриловой дисперсии и карбонильного железа приведены на рис.12 и рис.13 в виде микрофотографий структуры и графика, характеризующего изменение динамической вязкости в зависимости от длительности волнового воздействия. Анализ экспериментальной зависимости динамической вязкости от времени перемешивания показывает, что при увеличении времени волнового воздействия вязкость, в данном конкретном случае, имеет тенденцию роста. Особенно интересен тот факт, что волновое перемешивание наиболее существенно повлияло на рост вязкости в многофазной среде с добавкой карбонильного железа (кривая 2 рис. 13) в сравнении с аналогичным воздействием на стиролакриловую дисперсию без добавок (кривая 1 рис. 13).При анализе микрофотографий суспензии, полученных при традиционном перемешивании лабораторной роторной мешалкой (рис. 12а), видно, что смесь явно неоднородна. Характерные размеры неоднородностей достигают 6~22 мкм. То есть, традиционным методом, с использованием мешалки не удается получить однородную структуру суспензии. Волновая же обработка суспензии в течение 5 мин (рис. 126) позволила получить достаточно однородную смесь, в которой отсутствуют крупные агломераты.

В процессе экспериментальных исследований по изучению, влияния волнового перемешивания на строительно-технологические характеристики цементных растворов исследовалось влияние волн на подвижность водоцементной смеси и прочность цементного камня, получаемого из водоцементной смеси, приготовленной в волновом смесителе. В данном исследовании использовался состав портландцемента М500 и воды в соотношении В:Ц 0.4:1. Использовался цемент после 1.5 года хранения.

Т|.Па с

0,12-----I- У2 _ . -------1

0,1 ]- ...... I-------1------------------

0,08 --------------------—I-1

0 5 10 15 1, мин

Рису нок 13 .Зависимость динамической вязкости от времени волнового воздействия

Рисунок 12. Микрофотографии смеси на основе стиролакриловой дисперсии и карбонильного железа, а-традиционный смеситель, б-лабораторный волновой смеситель

В строительной технологии существует параметр «подвижность» цементной смеси, в общем, характеризующий свойства вязкости и пластичности цементного раствора. На рис. 14 представлены две фотографии исследования подвижности цементного раствора. Контрольный образец (рис. 14а) приготовлен с использованием традиционной смесительной насадки для бытовой дрели. Второй образец (рис. 146) приготовлен в лабораторном волновом смесителе. В обоих случаях состав, водоцементное соотношение и время перемешивания идентичны. Для определения подвижности использовалась стандартная строительная методика определения подвижности цементных растворов. Суть этой методики заключается в том, что вертикальный цилиндр без дна, стоящий на ровной сухой поверхности, заполняется до краёв цементной смесью, затем производится её уплотнение, после чего цилиндр вертикально поднимают, а находящаяся внутри него смесь под действием силы тяжести растекается на поверхности. Диаметр пятна растекания характеризует степень подвижности образца. Данное исследование показало, что прирост подвижности при волновом перемешивании составил около 80% в сравнении с традиционным перемешиванием.

а б

Рисунок 14. Исследование подвижности цементного раствора.а - традиционный смеситель, б - волновой смеситель

Рисунок 15. Зависимость изменения прочности образцов цементного камня от времени. 17

Также проведены долгосрочные испытания прочности разрушения на сжатие цементного камня. Для испытаний было изготовлено 3 образца из водоцементной смеси: контрольный образец был » приготовлен перемешиванием цемента с водой посредством насадки для: дрели, а два других образца приготавливались в волновом смесителе,- их отличие заключается в различном времени перемешивания (5 и 10 мин). Испытание прочности проводилось с помощью прибора неразрушающего контроля «Оникс-2.5». Зависимость изменения предела прочности разрушения на сжатие образцов цементного камня от времени представлена на рис. 15., где кривая 1 - для контрольного образца, кривые 2, 3 - для образцов прошедших волновое перемешивание в течение 5 и 10 минут соответственно. Испытания показали, что для образцов, прошедших волновое перемешивание, наблюдается существенное уменьшение времени • набора прочности до заданного значения и увеличение конечной прочности цементного камня. Прирост прочности спустя б лет составил 28%. Также можно заметить, что дальнейшее увеличение времени волнового перемешивания не даёт существенного прироста прочности, что позволяет говорить о существовании некоторого оптимального времени приготовления подобного рода составов.

В третьей главе представлено общее описаниеконструкцииволнового смесителя жидкостей, изложены результаты математического моделирования, применяемого в смесителе резонансного возбудителя колебаний. Представлены результаты исследований динамики колебательной части волнового смесителя и результаты исследования качества перемешивания многокомпонентных красок и кровельных покрытий.

В результате проведённых исследований, которые представлены во второй главе удалось определить основные необходимые параметры для создания волнового смесителя жидкостей. Определена и испытана геометрия рабочего органа смесителя, экспериментально подтверждены эффекты волнового перемешивания, разработана и опробована методика моделирования резонансного возбудителя колебаний, экспериментально показана возможность полностью обеспечить необходимый массообмен перемешиваемой среды только на волновых принципах, без дополнительных вращающихся элементов.

В смесителе реализована динамически замкнутая . схема комплексного возбудителя колебаний (аналогичная показанной на рис. 7), исключающая какие-либо реактивные нагрузки на корпус со стороны генератора колебаний. Благодаря данному решению отпадает необходимость в использовании виброизолирующих устройств. Рабочая резонансная,частота была выбрана равной 50Гц, что соответствует общепромышленной частоте сети переменного тока и даёт возможность использовать волновой смеситель без применения частотного преобразователя.

На этапе проектирования численными методами с помощью программного обеспечения для твердотельного моделирования «Компас» были получены необходимые исходные данные для значений моментов инерции рабочего органа и третьей массы, связанной со статором генератора

колебаний. Моменты инерции ротора и статора генератора колебаний были получены измерением по методике исследования собственных крутильных колебаний на бифилярном подвесе. Расчёт крутильной жёсткости торсионов произведён традиционным для труб и стержней способом, материал - сталь ЗОХГСА. Для упрощения процесса вычислений автором была написана программа в среде Ма1ЬСас1 13, автоматически вычисляющая собственные формы и собственные частоты крутильных колебаний исходя из ¡задаваемых моментов инерции трёх масс, геометрических размеров и механических свойств материалов торсионов.

В результате вычислений и измерений были получены суммарные моменты инерции для всех трёх инерционных масс возбудителя крутильных колебаний. Они составили следующие значения: Момент инерции ротора генератора колебаний (измерен^ = 2.6 * 10~3кг * м2, момент инерции рабочего органа (получен численно) /2 = 1.2 * 10~2кг * м2, момент инерции третьей реактивной массы, состоящей из статора двигателя и конструктивных элементов (статор-измерен, конструктивные элементы получены численно) /з = 0.15кг * м2

Исходя из рабочей частоты 50Гц, геометрических требований, вызванных общей компоновкой смесителя и существующего сортамента труб ЗОХГСА были подобраны геометрические параметры и получены собственные формы крутильных колебаний возбудителя колебаний. Исходя из полученных расчётных форм была определена узловая точка на торсионе, в которой будет осуществлена фиксация.

Полученные собственные крутильные формы для двух" ненулевых собственных частот показаны на рис. 16. Третья собственная частота в такой системе равняется 0 и отражает возможность системы совершать вращение как единое целое. Собственная частота крутильных колебаний для первой формы, удовлетворяющей колебательной схеме возбудителя колебаний (рис. 16 а), была подобрана равной Ш1=50.1Гц. Вторая, на практике не интересующая нас форма, соответствует собственной частоте ю2 =95.4Гц (рис. 16 б).

Рисунок 16. Расчётные собственные формы резонансного возбудителя крутильных колебаний волнового смесителя

На основании представленного расчёта была определена окончательная геометрия резонансного возбудителя крутильных колебаний, остальная конструкция волнового смесителя носит подчинённый характер и является чисто инженерной задачей.

Общий вид волнового смесителя показан на рис 17.Принцип действия смесителя состоит в следующем: жидкость поступает через входную горловину, расположенную в верхней части рабочей камеры 1. Внутри рабочей камеры располагается волновой рабочий элемент, совершающий колебательные движения с частотой 50Гц. Рабочий элемент является составной частью комплексного резонансного возбудителя колебаний, включающего также в себя волновод 2 и электродинамический генератор колебаний 3. Пройдя через рабочую камеру, жидкость сливается через выпускную горловину, расположенную в нижней её части. Все элементы рабочей части смесителя монтируются на раме 4. Рама установлена на станине 5.

В зависимости от конфигурации рабочего элемента и типа обрабатываемой среды смеситель сможет работать как с использованием дополнительного перепада давления (до 1 МПа), так и без него. Рабочая камера может быть снабжена смотровыми окнами для визуального наблюдения процессов перемешивания, в этом случае, работа под избыточным давлением невозможна. Конструкция волнового смесителя позволяет работать как в периодическом режиме, так и в непрерывном (на проток). Для облегчения прокачки высоковязких жидкостей за счёт гравитационных сил предусмотрена возможность наклона рабочей камеры.

Была исследована электромеханическая система волнового смесителя, включающая в себя рабочий элемент, волновод, генератор крутильных колебаний. Работа элементов смесителя отлаживалась в состоянии без нагрузки и при заполненной жидкостью рабочей камере.

Проведено исследование амплитудно-частотной характеристики волнового смесителя. Для этого на частотном преобразователе, подключенном к генератору колебаний, устанавливались различные частоты колебаний с шагом в 0,3Гц, а по мере удаления от резонансной частоты - до 3Гц. С помощью трех акселерометров, установленных на рабочем элементе, роторе генератора волн, реактивной массе (балансир), и блока анализатора вибраций осуществлялось измерение амплитуды крутильных колебаний на соответствующей возбуждающей частоте. Датчики имели следующие

Рисунок 17. Волновой смеситель жидкостей

радиусы установки относительно оси колебаний: на балансире - 35мм; на рабочем элементе - 15 мм, а на генераторе колебаний - 25 мм.Полученная зависимость, представленана рис.18.

юоо

Рисунок 18. АЧХ резонансного возбудителя колебаний волнового смесителя

Из АЧХ видно, что система имеет ярко выраженный резонансных пик, близкий к расчетному, на частоте 48Гц. Форма резонансного пика и некоторое несоответствие полученного расчётного значения можно объяснить достаточной сложностью конструкции, влиянием неучтённых нелинейностей материала и сопротивления уплотняющих устройств, наличием дополнительной массы сварных соединений, которуюзатруднительно оценить. Несмотря на это, в общем, разработанная методика позволила с достаточной точностью обеспечить заданные резонансные характеристики.

Проведено исследование соответствия фактической формы колебаний возбудителя крутильных колебаний форме, полученной расчётным путём. Сигнал с акселерометров обрабатывался цифровым чётырёхканальным осциллографом. Исследовалась величина и фаза приходящего сигнала. Полученная амплитудно-временная характеристика представлена на рис.19, где 1 - ротор генератора колебаний (Зі) 2 - рабочий элемент (12), 3- балансир (реактивная масса) (Із)_

Рисунок 19. Осциллограмма сигнала, с акселерометров, установленных на инерционных массах волнового смесителя.

Как видно, все три синусоиды проходят нулевое и максимальное значение практически в один и тот же момент времени. На основании этого можно утверждать, что в системе установились только стоячие волны крутильных колебаний, т.е.система находится в резонансе или достаточно близко к нему. Также видно, что массы 1 и 2 совершают колебания в одной фазе, а 3-я масса имеет сдвиг равный 180°относительно первых двух, что соответствует расчётной форме, представленной на рис. 16 а.

Результаты пересчёта собственных форм с учётом радиусов размещения датчиков показали, что соотношения амплитуд также соответствуют первой расчётной форме колебаний.

Для исследования эффективности процессов перемешивания в волновом смесители было проведено два исследования по перемешиванию реальных жидкостей, применяемых в строительстве. В качестве объекта исследования было выбрано 4 рецептуры красок для внутренних и наружных работ и высоковязкое кровельное покрытие.

Для каждого типа краски приготавливалась пара образцов: контрольный образец, компоненты которого перемешивались вручную в течение 1-й минуты, и образец, перемешивание которого осуществлялось в волновом смесителе также в течение 1 минуты.

Результаты Испытаний основных строительно-технологических характеристик полученных красок представлены в табл. 1. Анализируя полученные результаты можно выявить следующие положительные изменения в характеристиках красок, приготовленных в волновом смесителе, а именно: прирост коэффициента яркости 5,8-12,5%, что делает данную краску потребительски более привлекательной; повышение укрывистости (снижение расхода краски на ед. поверхности) 7,7-20%, что позволяет снизить удельный расход краски при неизменной цене; увеличение водостойкости покрытия до 50%.

При перемешивании кровельного покрытия (Вязкость более 100Па*с) было выявлено, что волновое перемешивание позволяет получить гомогенность состава, недостижимую обычными средствами перемешивания.

Волновое перемешивание полностью проявляет исходный цвет красящего пигмента, что говорит о его равномерном распределении по объёму состава. .... г

В заключение можно отметить, что вышеперечисленные результаты являются лишь первыми шагами в " определении областей применимости волновых смесителей. В общем, можно сказать, что разработана новая технология волнового перемешивания и, в ряде случаев, активации вязких многофазных и многокомпонентных неныотоновских жидкостей.

Смеситель представляет собой модульное изделие, которое легко встраивается в технологические линии в' дополнение или взамен существующих -традиционных мешалок без изменения технологических циклов и проведения дополнительных мероприятий по виброизоляции или изменению несущих конструкций производственных помещений.

Таблица 1. Результаты испытаний строительно-технологических красок, прошедших волновое перемешивание.

Тип Коэффициент Укрывистость Стойкость к Плотность,

смесителя яркости, % невысушеннои статическому г/см3

плёнки, г/м3 воздействию

воды, ч., не

менее

Краска для потолков

Обычный 85 150 2 1,64

Волновой 92 120 3 1,62

Краска для интерьеров

Обычный 80 140 4 1,64

Волновой 90 130 5 1,60

Краска для влажных помещений

Обычный 85 150 48 1,54

Волновой 92 130 48 1,50

Краска фасадная

Обычный 85 190 48 . 1,56

Волновой 90 160 48 1,55

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. На основе анализа существующих nepeMeuiHBáiouwx устройств и разработок в области нелинейной волновой механики предложена концепция нового типа волнового смесителя для перемешивания жидкостей вязкостью до 200 Па*с. Процесс перемешивания в волновом смесителе осуществляется за счёт организации разнонаправленных течений на основании эффектов обтекания жидкостью колеблющихся тел несимметричного профиля. Направления таких течений не привязаны к общему направлению движения рабочего органа, т.е. можно организовать практически любые направления локальных течений, вплоть до встречных. Показано, что применительно к некоторым средам возможно изменение их физических, реологических, и других свойств. В основу идеи волнового смесителя положена суть реализации открытых ранее в НЦ НВМТ РАНволновых эффектов. Смеситель имеет замкнутую резонансную схему возбуждения колебаний, не содержит вращающихся органов, полностью самоуравновешен.

2. Разработана методика расчёта резонансного возбудителя крутильных колебанйй. Написана программа, осуществляющая данные расчёты в среде MathCad. Возбудитель колебаний представляет собой трёхмассовую систему с двумя упругими торсионными элементами. Выбрана форма колебаний, позволяющая конструктивно полностью исключить передачу вовне реактивных нагрузок. Этого удалось достичь за счёт

использования в качестве реактивной массы статора генератора крутильных колебаний.

3. На основании научных разработок в области нелинейной волновой механики созданы две экспериментальных установки для исследования волнового перемешивания в плоском слое жидкости и в цилиндрическом объёме. В первой установке для возбуждения колебаний рабочего органа был использован кривошипно-шатунный механизм, что позволяет проводить исследования на различных частотах колебаний, во второй установке реализована резонансная крутильная система возбуждения колебаний с электродинамическим генератором.

4. Исследована динамика течений в плоском слое жидкости, порождаемых колеблющимися телами несимметричной формы. Получена зависимость «насосной» характеристики единичного тела от амплитуды его колебаний.

5. Исследовано волновое перемешивание латекса с порошком карбонильного железа и цементного раствора. Показано, что волновое перемешивание, наряду с обеспечением лучшей гомогенностисмеси в сравнении с традиционной роторной мешалкой, также оказывает влияние на реологические свойства латекса. Выявлено, что образцы цементного камня, изготовленные из смеси, прошедшей волновое перемешивание, быстрее набирают прочность и достигают большего (на 28%) её конечного значения, также при волновом перемешивании происходит повышение подвижности цементного раствора на 80%. Данные результаты подтверждают ранее открытые нелинейные волновые эффекты в жидкостях.

6. На основании разработанных методик и экспериментальных данных создан волновой смеситель жидкостей, реализующий в себе волновой режим интенсивного перемешивания исключительно за счёт колебательного движения рабочего органа. Рабочий орган в волновом смесителе приводится в движение самоуравновешенным резонансным возбудителем крутильных колебаний. Проведены исследования соответствия фактических параметров колебаний возбудителя срасчётными. Проведены исследования эффективности перемешивания в волновом смесителе на примере строительных красок. Прирост коэффициента яркости составил 5,8-12,5%, что делает данную краску потребительски более привлекательной. Повышение укрывистости (снижение расхода краски на ед. поверхности) составило 7,7-20%, что позволяет снизить удельный расход краски при неизменной цене. Увеличение водостойкости покрытия повысилось в ряде случаев до 50%. .

Возможные области применения данного смерителя, очень .широки. Онможет находить свое применение в различных технологических линиях химической, нефтеперерабатывающей, , ... пищевой, „• строительной, фармацевтической и др. отраслях промышленности, везде,. где, требуется обеспечение интенсивного массопереноса в вязких жидкостях и получение качественных, гомогенных жидких смесей. Особенно интересны такие области технологии, в которых волновое перемешивание позволяет получить

качёственно новые продукты за счёт влияния волн на характеристики обрабатываемых сред.

Получены два положительных заключения от профильных организаций о перспективности применения волнового смесителя для строительной и химической промышленности.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Панин С.С. Разработка волнового смесителя для перемешивания высоковязких неньютоновских жидкостей / С.С. Панин // Проблемы машиностроения и надёжности машин. - М.: 2012. - №2. - C.91-I00

2. Панин С.С. Исследование микроструктуры магнитодиэлектрика, полученного с использованием волновой технологии / Р.Ф. Ганиев, Е.А. Брызгалов, В.В. Войтко, A.C. Корнеев, С.Ю. Михеев, B.C. Николаенко, С.С. Панин // Справочник. Инженерный журнал. - М.: 2011. - №2. - С. 3-7

3. Панин С.С. Волновая технология производства магнитодиэлектриков / Р.Ф. Ганиев, Е.А. Брызгалов, В.В. Войтко, А.С Корнеев, B.C. Николаенко, С.С. Панин// Справочник. Инженерный журнал. -М.: 2010. - №1. - С. 3-7

4. Панин С.С. Волновая технология в строительной промышленности/ Р.Ф. Ганиев, JI.E. Украинский, O.P. Ганиев, С.Р. Ганиев, С.С. Панин, А.П. Пустовгар // Нелинейная волновая механика и технологии: монография / Р.Ф. Ганиев, Л.Е. Украинский. - М.: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика». Серия «Нелинейная волновая механика», 2008. -С.647-656

5. Панин С.С. Волновые технологии и машины (Волновые явления в технологиях) / А.Д. Веденин, O.P. Ганиев, С.Р. Ганиев, В.П. Касилов, В.И. Кормилицын, Ю.С. Кузнецов, С.С. Панин, А.П. Пустовгар / ред. Р.Ф. Ганиев. -М.: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика». Серия «Нелинейная волновая механика», 2008. - 69 с.

6. Панин С.С. Нелинейные волновые эффекты в течениях неоднородных жидкостей в полях внешних сил / Р.Ф. Ганиев, Л.Е. Украинский, С.С. Панин, Н.И. Яковенко // Международная научная школа молодых учёных и специалистов «Механика неоднородных жидкостей в полях внешних сил: Вихри и волны»: сб. тез.док. / Москва ИПМ РАН. - М.: 2011.-С. 67

7. Панин С.С Волновое перемешивание многофазных и многокомпонентных жидких сред / С.С. Панин // Международная научная школа молодых учёных и специалистов «Механика неоднородных жидкостей в полях внешних сил»: сб. тез.докл. // Москва ИПМ РАН. - М.: 2010. - С. 67

8. Панин С.С. О некоторых особенностях получения полимерных композиций / Р.Ф. Ганиев, В.Н. Фомин, А.Д. Веденин, С.С. Панин, Е.Б. Малюкова, O.A. Голикова // 24 Симпозиум по реологии:тез.докл. /

Карачарово, Реологическое общество им. Г.В. Виноградова РАН. ИНХС РАН. - Карачарово, 2008. - С.37 - „

9. Панин С. С. Сухие смеси, для норо бето на на основе модифицированных гипсовых вяжущих / А.П. Пустовгар, A.B. Гагулаев, С.С. Панин // 2-я международная научно-техническая конференция Стройхимия 2005: сб. докл. - Киев, 2005,- С. 89-95

10. Панин; С.С. Экспериментальное исследование влияния нелинейных волновых эффектов в многофазных средах /Р.Ф. Ганиев, JLE. Украинский, A.C. Корнеев, B.C. Николаенко, С.С. Панин, В.М. Пигарин // Наука и технологии.Труды XXIII.Российской школы: сб.трудов.' науч- конф. / Миасс, РАН ОПММ и ПУ Уральское отделение. - М.: 2003. - С. 224-232

11. Панин С.С. Экспериментальное исследование влияния нелинейной волновой обработки и пластификаторов на характеристики бетона / Р.Ф. Ганиев, Л.Е. Украинский, A.C. Корнеев, С.С. Панин, В.М. Пигарин // XXIII Российская школа по проблемам науки и технологий: тез.докл. / Миасс. МСНТ. - Миасс, 2003. С. 36

12. Панин С.С.Экспериментальное исследование влияния нелинейных волновых воздействий на вязкость глиноподобного материала / Р.Ф. Ганиев, Л.Е. Украинский, B.C. Николаенко, С.С. Панин, В.М. Пигарин // XXIII Российская школа по проблемам науки и технологий: тез.докл. / Миасс. МСНТ.- Миасс, 2003. С. 37

Соискатель

С.С. Панин

Подп. в печать 16.02.2012. Зак. №208 Формат 60x84 '/|6 Бум. офсетная

Гарнитура «Тайме» Уч.-изд. л. 1,25. Тираж 100 экз.

■• ООО ВНИПР. 127644, Москва, Клязьминская ул., дом 15 (495) 486-80-76

Москва 2012

Текст научной работы диссертации и автореферата по механике, кандидата технических наук, Панин, Сергей Сергеевич, Москва

61 12-5/1747

ФИЛИАЛ Учреждения Российской академии наук Института машиноведения им. A.A. Благонравова РАН «Научный центр нелинейной волновой механики и технологии РАН»

(НЦ НВМТ РАН)

На правах рукописи

L ~

Панин Сергей Сергеевич

Исследование волнового смесителя жидких сред

01.02.06 «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры»

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель академик Ганиев Р.Ф.

Москва, 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение............................................................................................................4

1 Обзор существующих решений в области перемешивания жидких сред, постановка задачи.................................................................................9

1.1 Существующие методы перемешивания жидкостей........................9

1.2 Классификация механических перемешивающих устройств........14

1.3 Особенности перемешивания вязких сред.......................................20

1.4 Волновые явления и эффекты в жидких средах из области нелинейной волновой механики..........................................................................24

1.4.1 Механизмы появления односторонне направленных течений, возникающих в результате колебательных воздействий...............................25

1.4.2 Эффект аномального снижения вязкости...................................28

1.4.3 Интенсификация перемешивания при нестационарном воздействии..............................................................................29

1.5 Классификация применяемых возбудителей колебаний................34

2 Разработка методики создания волновых перемешивающих устройств.........................................................................................................40

2.1 Конструктивная схема волнового смесителя...................................42

2.2 Методика проектирования резонансного возбудителя колебаний 45

2.3 Описание экспериментальной базы и измерительной аппаратуры51

2.3.1 Лабораторная установка для визуального изучения течений жидкости в плоском слое..................................................................................52

2.3.2 Лабораторный волновой смеситель............................................54

2.4 Исследование течений, порождаемых колеблющимися телами, погружёнными в жидкость...................................................................................57

2.4.1 Цель и методика проведения исследований..............................57

2.4.2 Результаты исследования.............................................................60

2.5 Исследование динамики процессов перемешивания на лабораторном волновом смесителе.....................................................................65

2.5.1 Исследование динамики торсионной системы..........................65

2.5.2 Визуальные исследования режимов течения в волновом смесителе .........................................................................................................67

2.5.3 Экспериментальное исследование воздействия волнового перемешивания на свойства латексов..............................................................69

2.5.4 Экспериментальные исследования воздействия волнового перемешивания на свойства цементных растворов........................................74

2.5.5 Некоторые специфические особенности волнового перемешивания...................................................................................................79

3 Волновой смеситель для перемешивания жидких сред..................82

3.1 Особенности конструктивной схемы................................................82

3.2 Расчёт резонансного возбудителя крутильных колебаний.............84

3.3 Численное исследование возможных близких форм колебаний... 87

3.4 Оценка долговечности торсионных элементов...............................92

3.5 Описание волнового смесителя.........................................................97

3.6 Исследование динамических характеристик резонансного возбудителя крутильных колебаний....................................................................98

3.6.1 Исследование процессов перемешивания строительных материалов ......................................................................................................101

3.7 Определение предельной вязкости перемешиваемой среды.......103

Заключение...................................................................................................105

Список литературы....................................................................................108

Приложения.................................................................................................115

ВВЕДЕНИЕ

Процессы перемешивания жидких сред составляют значительную долю технологических операций во многих отраслях современной промышленности. Особенно широко перемешивание встречается: в пищевой отрасли, химической промышленности, строительной индустрии при приготовлении строительных растворов, косметической промышленности, нефтедобыче, нефтепереработке и т.д.

Основная задача перемешивания состоит в получении однородных растворов, дисперсных систем, интенсификации процессов химического превращения, массо- и теплопереноса. Перемешивание происходит либо самопроизвольно за счёт молекулярной диффузии, либо за счёт дополнительного ввода энергии в рабочую среду.

Существует множество классов перемешивающих устройств. К одному из наиболее распространённых классов относятся аппараты с механическими перемешивающими устройствами. В большинстве случаев перемешивание в этих аппаратах осуществляется за счёт увлечения перемешиваемой среды вращающимися рабочими органами. Данный принцип перемешивания имеет множество существенных недостатков, связанных с образованием застойных зон в рабочем объёме, которые появляются по причине замкнутости траекторий движения рабочих органов. Эту проблему, в основном, решают за счёт усложнения траекторий движения рабочих органов и усложнения их геометрии, увеличения скоростей вращения, наложения вибраций и акустических полей, введения в объём жидкости всевозможных отражательных перегородок. Но решение одной проблемы зачастую влечет за собой возникновение других, таких, как: чрезмерное усложнение конструкций смесителей, увеличение металлоёмкости и рост их стоимости, а главное, значительно усложняет применение данных решений в аппаратах, перемешивающих вязкие среды. Поэтому очевидно, что дальнейшее развитие перемешивающих аппаратов в

направлении усложнения традиционных методов не имеет практических перспектив, следовательно, необходимо разрабатывать новые принципы перемешивания.

Рыночная экономика, сопровождаемая конкурентной борьбой, требует постоянного расширения ассортимента продукции, улучшения её качества и снижения себестоимости. Это, в свою очередь, вызывает необходимость совершенствования технологического оборудования и внедрения новых прогрессивных технологий. Хорошие перспективы открыты для разработки и внедрения новых типов смесителей, обладающих превосходящими характеристиками за счёт реализации новых эффектов в жидких средах, способствующих интенсификации процессов перемешивания.

Наиболее перспективной научной базой для реализации разработок новых перемешивающих устройств является нелинейная волновая механика, основанная коллективом исследователей под руководством академика Ганиева Ривнера Фазыловича. В результате проведённых ими исследований к настоящему времени открыт и подтверждён экспериментально ряд новых волновых эффектов в области динамики поведения жидких сред, в том числе многофазных. Наиболее интересными являются эффекты изменения физических и реологических свойств ряда сред, подвергнутых волновой обработке, и эффект волновой интенсификации массообменных процессов.

В процессе данной работы на основании обзора отечественной и зарубежной литературы были определены перспективные направления развития в области разработки перемешивающих устройств, в которых возможна практическая реализация эффектов нелинейной волновой механики. Основываясь на теоретических разработках коллектива Научного центра нелинейной волновой механики и технологии РАН (НЦ НВМТ РАН), автор работы предложил новую схему смесителя жидких сред. Процесс перемешивания в волновом смесителе осуществляется при непосредственном возбуждении волнового поля в перемешиваемой среде за счёт колебательных

движений множества тел рабочего органа, погружённых в жидкость и имеющих особую геометрию сечения. За счёт асимметрии процессов обтекания колеблющихся тел в жидкости в перемешиваемой среде становится возможным организовать разнонаправленные локальные течения. Т.к. локальные течения жидкости, порождаемые колебательными движениями рабочего органа, не имеют привязки к замкнутым глобальным траекториям вращательного движения рабочего органа, которые имеют место быть в традиционных смесителях с вращающимися элементами, то в среде становится возможна организация сколь угодно сложных разнонаправленных локальных течений, вплоть до встречных. Сложность поля локальных скоростей при таком перемешивании в сочетании с распространяющимися в жидкой среде волнами пульсаций давления и сдвиговыми волнами позволяет существенно интенсифицировать массообменные процессы. Кроме того, как показали исследования, в ряде случаев такое сложное воздействие на некоторые типы жидкостей способно изменять физические свойства самой жидкости.

Для реализации вышеописанной концепции волнового смесителя необходимо определиться с конструкцией колебательного привода и геометрией рабочего органа. Автором была разработана методика моделирования самоуравновешенного резонансного возбудителя крутильных колебаний и, в рамках работ НЦ НВМТ РАН, проведён ряд экспериментальных исследований на двух лабораторных установках, в результате которых удалось подтвердить состоятельность предлагаемой идеи и получить некоторые данные, которые были использованы для дальнейшей оптимизации геометрии рабочего органа волнового смесителя.

Работа является развитием одного из направлений научно-исследовательских работ НЦ НВМТ РАН, связанных с исследованиями и разработкой новых типов волновых машин и аппаратов. Исследования направлены на разработку методик создания волновых смесителей и изучение

динамики процессов волнового перемешивания. Работа автора носит преимущественно экспериментальный характер.

Цель работы.

Получение новых научных данных о динамике процессов волнового перемешивания жидких сред, основанных на явлениях и эффектах нелинейной волновой механики.

Основные задачи исследований.

Исследование резонансных режимов колебательного привода, разработка оптимизированной конструкции волнового смесителя жидкостей на основании полученных результатов и разработанных методик.

Научная новизна.

На основе анализа существующих методов перемешивания жидкостей и современных перемешивающих устройств, а также явлений и эффектов нелинейной волновой механики предложена принципиально новая модель волнового смесителя жидких сред.

Практическая ценность.

Разработанный волновой смеситель жидкостей позволяет осуществлять перемешивание жидких сред вязкостью до 200 Па-с, с превосходящим существующие образцы смесителей качеством перемешивания при соизмеримых или меньших энергозатратах. Также волновой смеситель позволяет осуществлять воздействие на физические, реологические, строительно-технологические свойства перемешиваемых сред. Модульная конструкция волнового смесителя позволяет без существенных дополнительных затрат встраивать его в различные технологические линии пищевой, косметической, химической и многих других отраслей современной промышленности.

1 ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ РЕШЕНИЙ В ОБЛАСТИ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ЖИДКИХ СРЕД, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1 Существующие методы перемешивания жидкостей

Процессы перемешивания очень распространены в современной промышленности. В настоящее время разработано огромное количество различных типов смесителей жидкости для всего многообразия перемешиваемых сред. Задачи перемешивания и гомогенизации жидких сред повсеместно встречаются в различных технологических линиях. Рисунок 1 даёт представление о разнообразии перемешиваемых систем и о распространении процессов с участием перемешивания [1].

Перевешивание в основных процессах химической технологии

I Физические процессы I-

| Гидромеханичеслие\ \ Массообмемные

Химические проиессы

—»| Эмульгирование Н Суспендирование |-> IЦДиспергировоте|*

Гомогенизация -3

■^-\кристаппизои.ия\* ^Н Растворение Н Экстракция

► электролиз

Авсорёиия [**

(тетовыТ{— »•{ Выпаривание Нагревание Охлаждение^-

Т.

Гетерогеш'ые ре о кипи

Гомогенные реакиии

Жидкость в жидкости

Твердое вешествс в жидкости

Газ в жидкости

Газ и твердое бешество в жидкости

—1 Агрегатное состояние сраз, образующих систему\

Рисунок 1. Применимость процессов перемешивания в химической технологии

Теоретическому и практическому изучению процессов перемешивания

посвящены работы многих отечественных и зарубежных авторов. Среди них

такие ученые, как: В.Г. Айнштейн, Г. Аккер, Л.Н. Брагинский, Э.А. Васильцов,

Р.Ф. Ганиев, В.В. Кафаров, И.М. Костин, С. Кампбелл, Д. Оттино,

Л.Е. Украинский, Ф. Холланд, Ф. Чапман и многие другие.

Перемешивание жидких сред, пастообразных и твердых сыпучих материалов - один из наиболее распространенных процессов химической технологии. Чаще всего в технике встречаются процессы перемешивания жидких сред - типичный пример смешанной задачи гидродинамики.

Перемешивание можно рассматривать как способ интенсификации процессов распределения растворенных веществ, взвешенных частиц и теплоты, а также диспергирования капель и пузырьков в жидкости путем приведения её в вынужденное движение.

По физическому механизму [2] процессы, протекание которых ускоряется при перемешивании, можно разделить на три основные группы. Первую из них составляют процессы переноса растворенных веществ, взвешенных частиц и теплоты на расстояния, не слишком малые по сравнению с размерами аппарата. Эти процессы играют основную роль при смешении взаимно растворимых жидкостей, суспендировании, выравнивании температуры. Их результат характеризуется степенью однородности полей концентраций и температуры или временем достижения заданной степени однородности и полностью определяется макромасштабными характеристиками потока жидкости в аппарате.

Ко второй группе относятся процессы дробления капель и пузырьков. Размеры капель и пузырьков малы по сравнению с размерами аппарата, поэтому конечный результат перемешивания - диаметр образующихся капель и пузырьков или их поверхность - мало зависит от макрохарактеристик потока. Он определяется, главным образом, интенсивностью микромасштабной турбулентности или величиной сдвиговых усилий в малых элементах объёма, сопоставимых по размерам с частицами дисперсной фазы. К данной группе следует также отнести случаи, когда выравнивание концентраций реагирующих веществ на макроуровне недостаточно для нормального протекания химических реакций и существенную роль играет скорость подвода или отвода веществ на микроуровне, вплоть до расстояний, на которых проявляются силы

межмолекулярного взаимодействия. Хотя скорость переноса в элементах объёма столь малых масштабов (явлений микросмешения) определяется, в первую очередь, физико-химическими свойствами среды и диффундирующих веществ, на неё оказывает влияние и микромасштабная структура потока.

Третью группу образуют явления тепло- и массообмена на границах раздела жидкость - корпус аппарата, жидкость - внутренние устройства, жидкость - взвешенные частицы, капли, пузырьки. Основное влияние на скорость переноса теплоты или вещества при этом оказывают характеристики пограничного слоя, которые зависят от условий течения перемешиваемой среды в непосредственной близости к межфазной поверхности.

Во всех рассмотренных случаях интенсификация технологических процессов является результатом течения жидкости в аппарате, однако требования к характеристикам потока и конструкции аппарата могут быть различными в зависимости от особенностей интенсифицируемых явлений и характерного для них масштаба (рис. 2).

Рисунок 2. Физические явления и характеристики потока при перемешивании

Перемешивание