Для отправки ваших публикаций, пожалуйста, зарегистрируйтесь.

Если Вы уже зарегистрированы, то авторизуйтесь на сайте.


  1. Вход или регистрация
  1. Подписка

Механика движения жидкости в центробежных реосепараторах двойного назначения
16 января 2012             

Авторы: Назаров С.В., Назаров В.В.; "Оренбургский государственный университет".
 
Научная литература, дающая описание технологического процесса разделения различных растворов на фракции в поле действия центробежных сил, базируется на классической [1] и гидродинамической [2, 3] теориях сепарации. Они достаточно основательны, но проблема изучения влияния механики движения жидкости в рабочих органах центробежных машин на качество продуктов переработки остаётся актуальной и в настоящее время. Это связано с появлением новых реосепараторов двойного назначения, выполняющих функции разделения раствора на составляющие фракции и измерения вязкости. Особенность их конструкции - возможность относительного окружного смещения соседних тарелок, образующих конусные рабочие зазоры. Определения новым терминам "реосепаратор", "реоцентрифуга", которые с недавнего времени введены в обращение их разработчиками, приведены в статье [4].
 
Наиболее подробно изучено движение жидкости в конусных межтарелочных зазорах (МТЗ) барабанов серийных однопакетных центробежных сепараторов. Исследовано влияние кинематических и динамических характеристик потока на производительность оборудования и качество сепарации, которое зависит, так же, от начального физического состояния раствора. Начальное - это дисперсионное состояние жидкости перед подачей её в МТЗ. Размеры и количество растворённых частиц определяют структуру раствора, для которой задаются технологические режимы сепарации (давление жидкости, угловая скорость вращения барабана, геометрия МТЗ и другие).
 
При сепарации бинарных (двухкомпонентных) эмульсий получают две не совсем чистые жидкости, например, машинное масло и воду. Причина в том, что эмульсии, образованные смесью нерастворимых жидкостей, многофазны. Масло в воде находится в виде шариков разного размера. Самые мелкие из них в центробежном поле от воды не отделяются. Снижается качество сепарации при повышении производительности центробежных машин. Производственники это допускают иногда по требованию заказчиков, точно рассчитав увеличение угловой скорости вращения барабана и давления. Повышение степени механического воздействия иногда травмирует материал во время его подачи в барабан и в зоне разделения, что приводит к необратимым качественным изменениям.
 
Опыт различных фирм показывает частичное решение этой проблемы. Например, при создании нового поколения лекарств и медикаментов, получаемых из клеточных культур млекопитающих, шведской фирмой [5] разработан техпроцесс реосепарации, требующий особенно мягкой обработки с минимальным механическим воздействием на жидкость. Её реосепаратор Culturefuge предназначен для отделения (тонкой очистки) от раствора частиц, чувствительных к лёгкому механическому воздействию и встряхиванию. Переработка таких материалов на других машинах приводит к разрушению частиц и создаёт проблемы с очисткой, что резко снижает качество конечного продукта.
 
Механика движения жидкости в центробежных реосепараторах двойного назначенияТакая же проблема решается немецкими производителями центробежной техники в программе "Мягкий поток" [6]. Реосепараторы для молока и пива оснащаются гидрогерметичной системой подачи, предназначенной для щадящей загрузки продукта в барабан, что даёт оптимальный осветляющий эффект.
 
Недостаточно изучена механика движения жидкости в поплавковых камерах (ПК) реосепараторов. ПК - это технические средства, предназначенные для гашения турбулентных течений и снижения механического воздействия на раствор в момент его подачи в барабан.
 
Схема ПК показана на рисунке 1. Раствор поступает из магистрального трубопровода через кран 1 и насадок 2 в поплавковую камеру 3. При её заполнении поплавок 4 всплывает, увеличивая зазор 5, и перекрывает выход жидкости из насадка. Этим обеспечивается равномерность подачи. Переполнение камеры 3 с использованием таких регуляторов невозможно. Через гайку 6 с выходным отверстием раствор поступает в барабан сепаратора. Над отверстием на свободной поверхности жидкости в поплавковой камере образуется гидравлическая воронка. Винтовое движение, турбулизация жидкости в выходном отверстии нарушают ламинарный режим подачи и ухудшают качество сепарации.
 
Механика движения жидкости в центробежных реосепараторах двойного назначенияПоявление воронки вызвано естественной причиной - суточным вращением Земли вокруг своей оси. Рисунок 2 иллюстрирует механику движения частицы жидкости на поверхности гидравлической воронки. На частицу действуют силы: Fг - сила гравитационного притяжения Земли; Fк - сила Кориолиса. Они не уравновешены. Это вызывает нежелательные для технологического процесса сепарации ускорения частиц жидкости, появляются силы инерции, влияющие на состояние дисперсной фазы, размеры отделяемых частиц. Для упрощения на схеме не показаны силы: поверхностные, объёмные, центробежная, инерции.
 
Кинематические параметры движения:
  • иρ - относительная скорость движения частицы в гравитационном поле;
  • ω - угловая скорость вращения Земли;
  • aк - ускорение Кориолиса;
  • иφ - окружная (переносная) скорость;
  • и - проекция иρ на плоскость, перпендикулярную ω;
  • β - географическая широта.
 
Точками показаны траектории движения частиц жидкости.
 
Механика движения жидкости в центробежных реосепараторах двойного назначенияСпособ гашения окружных ускорений и вызываемых ими турбулентных течений в поплавковой камере показан на рисунке 3. Здесь выделена область пространства жидкости (R - радиус основания поплавка), где происходит сдвиг потока поплавком. Сила вязкого трения Ньютона Fв (сила сдвига) поплавка, приложенная к частице жидкости, является силой сопротивления и направлена в сторону, противоположную . Она компенсирует силу Fк (действует правило "Нейтрализация Кориолиса Ньютоном"). Равенство Fв = Fк не во всех точках имеет место. Поэтому, часто можно наблюдать слабое вращение жидкости в районе выходного отверстия, которое увлекает за собой и поплавок. Поток жидкости всё равно остаётся ламинарным, качество сепарации улучшается.
 
Появление новых машин - центробежных реосепараторов (ЦРС) двойного назначения [7-9] стыкует два направления научных исследований: теорию реосепарации и теорию вискозиметрии.
 
Механика движения жидкости в центробежных реосепараторах двойного назначенияГидродинамическая теория межтарелочных потоков наиболее полно разработана Е.М. Гольдиным. Им определена связь между окружной иφ и радиальной иρ скоростями движения частиц в узких конусных МТЗ:
 
иφ = (1 - λ) · иρ.
 
Здесь λ - критерий устойчивости Е.М. Гольдина, определяемый отношением числа Рейнольдса к безразмерному расходу жидкости:
 
λ2 = Re/ η.
 
На рисунке 4 показаны поля скоростей частиц жидкости в МТЗ для различных режимов течения. Поле скоростей первого типа (параболической формы, например, при λ = 2) характеризует ламинарный режим и устойчивость процесса разделения. Поле второго типа (имеет три экстремальные точки А, В и С при λ = 8) - переходный режим. Процесс реосепарации неустойчив. В середине МТЗ образуется противоток, вызывающий турбулентность (точка В). Он ухудшает качество разделения.
 
В некоторых конструкциях центробежных сепараторов в сходящемся к вершине конусного зазора потоке жидкость может даже опережать вращение тарелок. Это так называемые "чёрные дыры" сепараторов. Скорость движения потока в верхней части МТЗ увеличивается из-за постоянного подпора (давления) верхних слоёв жидкости нижними. "Чёрные дыры" центробежных сепараторов прекрасно моделируют механику функционирования "чёрных дыр" (астрономический термин) во Вселенной. Поглощение материи и света, происходит здесь по схеме, показанной на рисунке 2. Из-за подпора нижних слоёв верхними скорость света может превысить 300 000 км/с. Наличие таких образований, как "чёрные дыры" и вращающиеся галактики, подтверждает гипотезу о вращении Вселенной или некоторых её областей с угловой скоростью ω.
 
Окружная скорость движения - одна из самых важных кинематических характеристик потока. От неё зависят: мощность привода барабана, расход жидкости, давление, радиальная скорость потока, траектория дисперсной фазы в МТЗ. С учётом окружной скорости частиц выбираются геометрия МТЗ, число и расположение источников питания и стоков. В каждой точке МТЗ у ЦРС двойного назначения эта скорость вычисляется так [10]:
 
alt
 
Здесь - alt - скорость, вызванная действием поворотных сил; alt - скорость, определяемая сдвигом потока эмульсии в окружном направлении (имеет отрицательное значение при условии торможения внешнего конуса).
 
Механика движения жидкости в центробежных реосепараторах двойного назначенияНа рисунке 5 приведена схема и внешний вид барабана молочного центробежного сепаратора-сливкоотделителя [8] двойного назначения ЦРСР2 (1 - сливки; 2 - отбортовка тарелки основного нечётного пакета; 3 - трубка; 4 - розетка распределяет раствор по питающим каналам; 5, 16 - основной и дополнительный тарелкодержатели; 6 - привод; 7, 23 - подшипники; 8, 17 - прокладки; 9 - основание; 10 - шламовое пространство; 11 - шток; 12 - тормозной механизм - измеритель вязкости; 13 - пружина; 14 - регулировочный винт со шкалой, тарированной по вязкости; 15 - корпус; 18 - разделительная тарелка; 19 - крышка; 20 - питающий канал; 21, 22 - выходные отверстия для обезжиренного молока и сливок).
 
Основной тарелкодержатель 5 предназначен для жёсткого крепления пакета нечётных тарелок, дополнительный 16 - для чётных. Нечётные тарелки имеют отбортовки на верхнем основании конуса, чётные - на нижнем. Необходимый рабочий зазор между тарелками обеспечивается дистанционными кольцами (ДК). ДК малого диаметра установлены на тарелкодержателе 5, большого - на тарелкодержателе 16.
 
Механика движения жидкости в центробежных реосепараторах двойного назначенияНа рисунке 6 даётся схема барабана ЦРС-очистителя двойного назначения ЦРСО2 [9]. Описание способа измерения вязкости с помощью регулировочного винта тормозного устройства, проводимого параллельно процессу сепарации раствора, приведено в [11].
 
При сепарировании масляной эмульсии толщина потока масла, движущегося от нижнего к верхнему краю конусной тарелки, изменяется по закону прямой [12]. Рассмотрим дополнительный сдвиг только эмульсии, поступающей в МТЗ в промежуток между верхней тарелкой и конусообразной поверхностью масла, оседающего на внешнюю сторону конуса. На рисунке 7 слой масла - это заштрихованная часть зазора, ρ0 - граница раздела фаз; z - ось вращения барабана реосепаратора; к - частица жидкости. Деформацию слоя масла не учитываем, так как его вязкость на порядок выше, чем у водной эмульсии. Применяем сферическую систему координат ρ, φ, ε. Напряжение сдвига θ, линейную скорость uγ, рассматриваемой частицы жидкости, и момент M, передаваемый от верхней тарелки на конусообразную поверхность масла, вычисляем по известным формулам теории вискозиметрии [13]:
 
alt;
 
alt;
 
где ρ и ε - текущие координаты точки; α и β - углы наклона образующих конусных поверхностей верхней тарелки и масла; Δω - разность угловых скоростей соседних тарелок.
 
Использование приведённых математических выражений возможно при условии, что поток масла представляет собой конусную поверхность, вращающуюся вместе с нижней тарелкой.
 
Механика движения жидкости в центробежных реосепараторах двойного назначенияСложение alt и alt в МТЗ у ЦРС двойного назначения даёт несимметричное поле скоростей с эффектом гашения противотока (рисунок 8). Ширина потока раствора в МТЗ равняется 0,5 мм, расход жидкости, протекающей через один МТЗ, - 2,8 · 10-6 м3 (около 10 л/час). Разность угловых скоростей вращения чётной и нечётной тарелки принималась alt с шагом 2с-1 (графики слева направо соответственно). Знак минус на оси абсцисс показывает, что жидкость отстаёт от вращения тарелок.
 
Графики получены для той зоны межтарелочного зазора, которая является общей для сепараторов-очистителей и для сепараторов-разделителей (ρ = 0.025м) малой производительности. Эта зона определяется наличием частиц дисперсной фазы, которые могут быть унесены потоком, не успев выделиться из раствора. По рисунку 8 видно, что в верхней части МТЗ противоток гасится при alt.
 
Вывод. Известная методика расчёта кинематических и динамических параметров движения жидкости теории вискозиметрии рекомендуется к использованию в теории центробежной реосепарации. Сдвиг потока жидкости в рабочих объёмах реосепараторов двойного назначения используется как дополнительный фактор управления техпроцессом разделения.
 


Литература
1. Расчёт молочных сепараторов на обезжиривание: тр. ИСХМ /Г.И. Бремер. 1928, № 274. Вып. 1. - 112 с.
2. Гидродинамические основы сепарации в тарельчатых сепараторах: сб. тр. ВСХИЗО / Е.М. Гольдин.,1958. Вып. 2. - 84 с.
3. Гидродинамические основы процесса тонкослойной сепарации: сб. тр. ВСХИЗО / Е.М. Гольдин., 1959 . Вып. 3. - С.63-79.
4. Назаров, В.В. Реосепараторы малой производительности для биорастворов /В.В. Назаров //Вестник ОГУ. – 2007.- №9.-С.199-202.
5. www.dpm.uaprom.net/p834848-separatory-alfa-laval.html.
6. www.vinmoldova.md/index.php?mod=content&id=493.
7. Патент №2231043 РФ. Вискозиметр. МПК 7G 01 N 11/14 /Л.П. Карташов, В.В. Назаров, Т.Н. Корнилова, Н.А. Морозов, М.В. Буянов. Заявл. 29.07.02. Опубл. 20.06.04 в БИ №17.
8. А.с. №1763031 СССР. Центробежный сепаратор для молока. МКИ В 04В 1/08. /В.В. Назаров. Заявл. 03.05.89. Опубл. 23.09.92 г. в Б. И. № 35.
9. Патент № 2129472 РФ. Центробежный сепаратор молокоочиститель. /Л.П. Карташов, В.В. Назаров, Т.Н. Корнилова. Заяв.10.06.97Опубл. 27.04.99. в БИ №12.
10. Назаров, В.В. К теории сепарировании: сб. докл. 2 Всесоюзной науч.-техн. конф. "Теоретические и практические аспекты применения методов инженерной физико-химической механики с целью совершенствования и интенсификации технологических процессов пищевых производств" /В.В. Назаров. - М., 1986. – С.174.
11. http://www.i-mash.ru/materials/design/12829-reocentrifuga.html.
12. Соколов В.И. Основы расчёта и конструирования деталей и узлов пищевого оборудования /В.И. Соколов. - М,: Машиностроение, 1970. - 95с.
13. Белкин, И.М. Ротационные приборы. /И.М. Белкин, Г.В. Виноградов, А.И. Леонов. - М.: Машиностроение. 1967.- 272 с.


Обсудить статью на Форуме Машиностроителей






Комментариев пока нет
{c_navigation}

Написать комментарий

Другие публикации по теме





Автоматизация промышленных предприятий Автоматизация промышленных предприятий
Диспетчеризация производства, идентификация и прослеживаемость, управление КПЭ (KPI)...
(495) 662-43-70
Rodcraft (Родкрафт), Deprag, Stahlwille (Штальвиль), инструмент Atlas Copco (Атлас Копко), Iscar (Искар), Sandvik Coromant (Сандвик Коромант), Mitsubishi (Митсубиси). Маркировка труб, горячего металла в металлургии. Промышленное оборудование и инструмент
Rodcraft (Родкрафт), Deprag, Stahlwille (Штальвиль), инструмент Atlas Copco (Атлас Копко), Chicago Pneumatic (Чикаго Пневматик), Fuji (Фуджи), Desoutter, Iscar (Искар), Sandvik Coromant (Сандвик Коромант), Mitsubishi (Митсубиси), Korloy (Корлой), Seco tools, SGS tools, Onsrud, Fette, Guhring и пр. Оборудование для маркировки. Маркировка труб, горячего металла в металлургии. Фаскосниматели (фаскорезы, кромкорезы), ручные фрезеры по металлу. Пневмодвигатели (пневматические двигатели, пневмомоторы).
(495) 668-13-58
ИРОК-2М. Купить. Инструкция.
Инструмент ИРОК-2М от производителя. Купить. Скачать инструкцию и другие документы. Прочий электромонтажный инструмент и электрокомпоненты.
(495) 668-13-58 доб. 4
Реклама на сайте и-Маш Реклама на сайте и-Маш      
pr()i-mash.ru