Анализ реологических моделей автомобильных эксплуатационных материалов
Выпуск:
ART 970195
Библиографическое описание статьи для цитирования:
Коновалов
Д.
Н.,
Коновалова
М.
В.,
Доровских
Д.
В. Анализ реологических моделей автомобильных эксплуатационных материалов // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2017. – Т. 31. – С.
901–905. – URL:
http://e-koncept.ru/2017/970195.htm.
Аннотация. В статье приведен анализ реологических моделей автомобильных эксплуатационных материалов. Рассматриваются вопросы совершенствования процесса центробежной очистки топлива и масел.
Ключевые слова:
автомобильные эксплуатационные материалы, реология, центробежная очистка, центрифуга
Текст статьи
1
ДоровскихДмитрийВладимирович,кандидаттехническихнаук,доценткафедры"Эксплуатацияавтомобильноготранспортаиавтосервис"ФГБОУВПО"Тамбовскийгосударственныйтехническийуниверситет",г.Тамбовdima.dorovskikh@yandex.ru
КоноваловДмитрийНиколаевич,старшийпреподавателькафедры"Эксплуатацияавтомобильноготранспортаиавтосервис"ФГБОУВО"Тамбовскийгосударственныйтехническийуниверситет",г.Тамбовkdn1979dom@mail.ru
КоноваловаМаргаритаВалерьевна,магистранткафедры"Эксплуатацияавтомобильноготранспортаиавтосервис"ФГБОУВО"Тамбовскийгосударственныйтехническийуниверситет",г.Тамбовkmv16041979dom@yandex.ru
Анализреологическихмоделейавтомобильныхэксплуатационныхматериалов
Аннотация.Встатьеприведенанализреологическихмоделейавтомобильныхэксплуатационныхматериалов.Рассматриваютсявопросысовершенствованияпроцессацентробежнойочисткитопливаимасел.Ключевыеслова:автомобильныеэксплуатационныематериалы,реология,центробежнаяочистка,центрифуга.
Теоретическаяреологияустанавливаетзависимостимеждудействующиминажидкиематериалымеханическиминапряжениями,деформациямииихизменениямивовремени[1].ВосновуреологиилеглизаконыНьютонаосопротивлениидвижениювязкойжидкости.Ньютонустановил,чтосиласопротивлениясдвигуужидкихтелзависитотплощади,покоторойпроисходитсдвиг,атакжеотскоростисдвига.Вматематическойзаписиньютоновскаямодельвязкойжидкостивыражаетсяформулой:=ி=ߤ·, (1)гдеܨ
сдвигающееусилие,Н;
площадьсдвига,м2;
напряжениесдвига,Па;ߤ
динамическаявязкостьжидкости,Па·с;
градиентскоростисдвига,с1.Вязкостьньютоновскойжидкостизависиттолькооттемпературыидавления.Ньютоновскоеповедениеприсущежидкостям,вкоторыхвязкаядиссипацияэнергииобусловленастолкновениемнебольшихмолекул.Реальныежидкостиснелинейнойкривойтечения(неньютоновскиежидкости)можноразбитьнатриобширныегруппы(таблица1) [2].1.Системы,длякоторыхскоростьсдвигавкаждойточкепредставляетнекоторуюфункциютольконапряженийсдвигавтойжеточке.2.Болеесложныесистемы,вкоторыхсвязьмеждунапряжениемискоростьюсдвигазависитотвременидействиянапряженияилиисториинагруженияжидкости.3.Системы,обладающиесвойствамикактвердоготела,такижидкости,ичастичнопроявляющиеупругоевосстановлениеформыпослеснятиянапряжения(вязкоупругиежидкости).2
Известно,чтопрактическивсечистыеавтомобильныеэксплуатационныематериалыпредставляютсобойньютоновскиежидкости[3].Исключениесоставляютпластичныесмазки,которыеотносятквязкопластичнымсистемам.Ихобъемномеханическиесвойстваопределяютсясуммойреологическихпоказателей,характеризующихупругие,прочностныеивязкостныесвойства[4].Таблица1Неньютоновскиежидкости
ВидреологическогоуравненияНазваниежидкостиРеологическоеуравнение=()бингамовскаяпластичнаяуравнениеШведова–Бингама=0+ߤр∙,
(2)>0псевдопластичнаяуравнениеОствальдадеВиля=∙, (3)<1дилатантная=∙, (4)>1=(,)тиксотропная
реопектическая
=(,ܩ,)вязкоупругаяуравнениеМаксвелла+ఓீ∙,=ߤ∙ (5)
Реологическиемоделизагрязненныхмаселитопливвлитературенеприводятся.Спрактическойточкизрениязнаниереологическоймоделиперерабатываемогоматериалапозволяетсделатьвыводовозможностимеханического(сдвигового)воздействиянаматериалсцельюприданияемузаданныхфизическихсвойств,вчастностивязкости.Всвязисэтим,необходимоопределитьреологическиеуравнениязагрязненныхтопливимасел.Некоторыеисследователисчитают,чтотеориядаетлишькачественнуюсвязьмеждузагрязненностьюмаслаиеговязкостью,количественныхзависимостейпоканенайдено.Связаноэтостем,чтоувеличениесодержаниявмаслезагрязняющихпримесейпроисходитпостепенноисовременемможетприостановиться,авслучаеснижениядиспергирующихсвойствмаславследствиесрабатыванияприсадкиилиприпопаданииводыихколичествоможетсокращаться.И.М.ГоловыхиЕ.В.Носовасчитаютвязкостьмасласлучайнойвеличиной[5].Всвязисэтимдляопределениявязкостиавтомобильныхэксплуатационныхматериаловнеобходимоиспользоватьметодынепосредственногоэкспериментальногоопределения.Современныеметодыиспособыпроектированияиэксплуатациицентрифугопираютсянапредположение,чтовязкостьявляетсяосновнойхарактеристикойочищаемогопродукта.Центрифугарассчитываетсянапереработкуматериаловопределеннойвязкости.Полагают,чтоотвязкостизависитхарактертеченияматериалавроторецентрифугииэффективностьочисткии,чтоперенастройкацентрифугинаочисткуматериаловдругойвязкостиневозможнабезпроведенияглубокихтеоретическихисследованийисерьезнойпеределкиконструкции.Решениемданнойпроблемывидеалеявляетсясозданиеуниверсальныхцентрифуг,позволяющихочищатьлюбыепродукты.Сповышениемтемпературывязкостьэксплуатационныхматериаловуменьшается,чтоблагоприятносказываетсянарезультатахцентрифугирования.Поэтомумаслапередподачейвцентрифугунагреваютдотемпературы6080,топливадотемпературы20
60°С.Темнеменее,впроцессецентрифугированиячастьтеплаочищаемогоматериала,полученногоотнагревательногоустройства,передаетсяустройству,подающемуматериалвцентрифугу,икорпусуцентрифуги,врезультате3
чегоувеличиваютсявязкостьиплотностьматериала,снижаетсяпроизводительностьикачествоцентрифугирования.Вцентрифугахпротекаютпроцесстеплоотдачи(теплооточищаемогоматериалапередаетсявнутреннимповерхностямцентрифуги)ипроцесстеплопередачи(теплоотматериалапередаетсячерезвнешниеповерхностицентрифугивокружающуювоздушнуюсреду).Процессытеплоотдачиитеплопередачипроисходятврезультатеконвекции,теплопроводностиитепловогоизлучения.Температурывразличныхточкахочищаемогоматериалаицентрифугименяютсястечениемвремени,процессытеплопередачиитеплоотдачибудутнеустановившимися.Механизмтеплообменаявляетсяоченьсложнымдажедляустановившихсяпроцессов.Расчетпотерьтеплапродуктамицентрифугированиявлитературенеприводится,таккактребуетустановленияоченьбольшогоколичествапараметров,некоторыеизкоторыхопределяютсятольковрезультатеэкспериментадляконкретныхтемператур.Вязкостьочищаемыхматериаловсчитаетсяпостоянной.Отсутствиетермостатированияодинизнедостатковсуществующихконструкцийцентрифуг.Нагревнефтепродуктовприцентробежнойочисткесвыше80°Снежелателен.Этосвязаносвозникновениемдополнительныхокислительныхпроцессов,которыеобусловленыинтенсивнымсмешиваниемнефтепродуктовсвоздухомвцентрифугах[6].Поэтомуснижениевязкостизагрязненныхтопливаимаселметодами,несвязаннымисповышениемтемпературынагрева,являетсяактуальнымнаправлениемработыисследователейиконструкторов.Сповышениемдавлениявязкостьмаселвозрастает.Вопросохарактереизменениявязкостимаселвзависимостиотдавлениянеоднозначен.Разныеисследователирекомендуютразличныезависимости:степенную[7],линейнуюиэкспоненциальную[8].Существуеттакжеформула,учитывающаянекотороеснижениевязкостизасчетповышениятемпературыиззавозрастаниядавления[7].Такимобразом,принимаемаяврасчетахпараметровцентрифугированиявязкостьочищаемогоматериалабудетотличатьсяотвязкостиэтогожематериаланепосредственновпроцессецентрифугированияиззатемпературныхизмененийидавления.КинематическаявязкостьочищаемогоматериаламожетбытьизмеренаавтоматическимкапиллярнымвискозиметромАПВ62илиультразвуковымвискозиметромстемпературнойкомпенсациейВТК65,которыепредназначеныдляизмерениявязкостивтехнологическихнетермостатированныхпотокахнефтепродуктов. Однако, этиприборынепозволяютизмерятьдинамическуювязкостьвзонеразделения,определитьреологическиехарактеристикиматериалов.Поэтомувозникаетнеобходимостьопределениявязкостиочищаемыхматериаловнепосредственновзонеразделенияцентрифуги.Этазадачаещенерешенаитребуетсозданияновогоклассацентрифугреоцентрифуг,позволяющихопределятьвязкостныехарактеристикиочищаемогопродуктавпроцессецентрифугирования.Наиболееполноразработаннымиитеоретическиобоснованнымиизсуществующихметодовизмерениявязкостиявляются:
капиллярный(течениежидкостивкруглойтрубе);
ротационный(течениежидкостимеждусооснымиконическими,цилиндрическими,сферическими,плоскимиповерхностямииихразличнымисочетаниями);
методпадающегошарика(движениетелавжидкости);
вибрационный(колебаниятвердоготелавжидкости).Существуетбольшоеколичестворазнотипныхприборовдляопределениявязкостиразличныхпродуктовижидкостей.Этообъясняетсябольшимразнообразиемсвойствжидкостейифизическихусловийпроведенияиспытаний,ккоторымотносят:
изменяемостьвязкостистечениемвремени;4
давление(отвакуумадо1,5109Па);
температуру(от90до+1500С°);
вязкость(от410'4до106Па·с);
химическиесвойства;
количествоисследуемойжидкости;
автоматизациюпроцессаизмерения.Такоемножестворазличныхвариацийсвойствисследуемыхвеществиусловийиспытанийпривелоктому,чтобольшинствовискозиметровизготовляетсявединичныхэкземплярах,ачислостандартныхсерийныхприборовмало.Однимизсамыхсовершенныхметодовопределениявязкостиразличныхвеществявляетсяротационныйметод,позволяющийопределятьрелаксационныеиупругиехарактеристикиматериалов,имеющихненьютоновскиесвойства,сниматьполнуюреологическуюкривуютеченияиисследоватькинетикуповеденияжидкостивпроцессеизмерениявязкости.Здесьнеобходиморассмотретьгидродинамическиепроцессытеченияжидкостивцентрифугах,которыеоказываютрешающеевлияниенавремяпребываниячастицывполецентробежныхсил,производительностьцентрифугииэффективностьразделениясуспензии.Вцентрифугахнаблюдаютсягидродинамическиеявления,обуславливающиеопережениеилиотставаниежидкостиотротора,турбулентнуюпульсациюжидкостиит.д.Всеэтоприводиткснижениюфактораразделения.Теоретическиеиэкспериментальныеисследованияпотоковжидкостивроторахцентрифугбазируютсянафундаментальныхосновахгидродинамики,механикисплошныхсред,теориипограничногослояиприкладнойматематики.Режимтечениясуспензиивроторецентрифугиявляетсявесьмасложныминедостаточноизучендажедляоднороднойжидкости[1].Насовременномэтапеисследованиягидродинамикитеченияжидкостивроторахцентрифугсуществуюттриосновныетеории[1]:
слойноготечения;
поверхностноготечения;
теориялинийтока.Втеориислойноготеченияосновнымпредположениемявляетсясуществованиеламинарногорежимапотокавроторецентрифуги.Однако,экспериментальнымиданнымибылодоказано,чтоданноепредположениесправедливолишьпрималыхчислахРейнольдсадляпотока[2].Согласнотеорииповерхностноготеченияпоступившаявроторсуспензияневытесняетвесьобъемжидкости,ранеезаполнявшийротор,арастекаетсяпоповерхностиротора,образуятонкийсливнойслой[2].Основнаямассажидкости,находящаясявроторе,образуеткакбыгидравлическуюподушку,покоторойскользитсливнойслой.Темнеменее,такаятрактовкахарактератеченияповерхностногослояявляетсянеприемлемойдляреальныхжидкостей,обладающихвязкостью[1].ТеориялинийтокаприменительнокосадительнымцентрифугамразработанаЕ.М.Гольдиным[9].Используяклассическиеметодыгидродинамикиидеальнойжидкости,онустановил,чторасположениелинийтокасущественнозависитотконфигурацииротора.Пригидродинамическоманализевнутрироторныхпотоковжидкостицентрифугспакетомконическихтарелоквкачествемоделипринимаетсяустановившийсяламинарныйпотоквязкойнесжимаемойньютоновскойжидкостимеждудвумяжесткосвязаннымисвращающимисясбольшойугловойскоростьюэквидистантнымисооснымиконусами.Основнойпотокжидкостирассматриваетсякакоднородный,иегодвижениеописываетсяуравнениямиНавьеСтокса[10].Сейчасдостаточнополноразработаныдвегидродинамическиетеориимежтарелочныхпотоковжидкостивцентрифугах:линейнаяинелинейная.5
ЛинейнаятеорияпренебрегаетсиламиинерцииотносительногодвиженияжидкостивполнойсистемеуравненийНавьеСтокса.Такоеупрощениедопустимодляслучаямалогорасходажидкости,чтодоказываетсясовпадениемтеоретическихвыводовсфактическимиданными,накопленнымивпрактикеиполученнымиврезультатеэкспериментов[2].Вслучаеповышенныхрасходовнеобходимоприменятьнелинейнуютеорию.Тонкослойныепотокимеждуконическимиповерхностямивроторахцентрифугмогутбытьоднофазнымиидвух(трех)фазными,сходящимися(периферийноепитание)ирасходящимися(осевоепитание),осесимметричнымиинеосесимметричными.Модельосесимметричноготеченияоднороднойвязкойжидкостиприближенноописываетповедениежидкостивтомслучае,когдамежтарелочноепространствослабоискаженонаправляющимиилидистанционнымиупорами,аусловияподачижидкостивканалслабозависятотокружнойкоординаты.Кмоделинеосесимметричногопотокаприбегаютвтехслучаях,когдавнутрироторныйпотоксильноискажаетсяпрепятствиями,напримеррадиальнымиребрами,иликогдаподачажидкостинеравномернапоокружности.Модельмногофазныхсредиспользуетсявслучае,когдаконцентрациядисперснойфазывсуспензиинемала.ЛинейнаятеориямежтарелочныхпотоковнаиболееполноразработанаЕ.М.Гольдиным[11].ВэтихработахрассмотренаупрощеннаялинеаризованнаясистемауравненийНавьеСтокса,вкоторойпренебрегаютмалымипараметрами.Введеннаяприэтомбиконическаясистемакоординат,наиболееполноотражаетгеометриюмежтарелочногопространства.Е.М.Гольдинымбыливведеныбезразмерныекритериальныепараметрыߣи. Числовыезначенияэтихпараметровхарактеризуютэффективностьработыцентрифугивцелом,позволяютвыбиратьцентрифуги,обеспечивающиенаиболеерациональныйрежимработы.КоэффициентߣпредставляетсобойотношениесилКориолисаксиламвязкости,а
отношениесреднеймеридиональнойскоростидвиженияпотокакокружнойскороститарелок.ߣ=ℎ·√·sin()ఔ, (6)где
угловаяскоростьвращенияжидкости,рад/с;ߥ
кинематическаявязкостьжидкости,м2/с;h
величинамежтарелочногозазора,м;
уголнаклонаобразующейконусакосивращения.РезультатылинейнойтеориимежтарелочныхпотоковмогутбытьиспользованывкачествепервогоприближенияприрешениинелинейнойсистемыуравненийНавьеСтоксаразличнымиприближеннымиметодами.
Ссылкинаисточники1.Виноградов,Г.В.Реологияполимеров/Г.В.Виноградов,А.Я.МалкинМ.:Химия,1997.
438с.2.Уилкинсон,У.Л.Неньютоновскиежидкости.Гидромеханика,перемешиваниеитеплообмен/У.Л.Уилкинсон;переводсангл.З.П.Шульман;подред.акад.проф.А.В.Лыкова.М.:Мир,1964.216 с.3.Павлов,В.П.Автомобильныеэксплуатационныематериалы/В.П.Павлов.М.:Транспорт,1982.208с.4.Ваванов,В.В.Автомобильныепластичныесмазки/В.В.Ваванов,В.В.Вайншток,А.А.ГуреевМ.:Транспорт,1986.144с.5.Головых,И.М.Заменамоторногомаслапофактическомусостоянию/И.М.Головых,Е.В.Носова//Автомобильнаяпромышленность.1998. —№1—С.23246.Шашкин,П.И.Регенерацияотработанныхнефтяныхмасел/П.И.Шашкин,И.В.Брай.М.:Химия,1970.304с.6
7.Итинская,Н.И.Справочникпотопливу,масламитехническимжидкостям/Н.И.Итинская,Н.А.Кузнецов.М.:Колос,1982.208с.8.Васильева,Л.С.Краткийсправочникпоавтомобильнымэксплуатационнымматериалам/Л.С.Васильева,—М,:Транспорт,1992,—120с.9.Борц,М.А.Принципырасчетаосадительныхцентрифугдляугольнойпромышленности/М.А.Борц,Е.М.Гольдин,B.C.Каминский.М.:Недра,1966.103с.10.Соколов,В.И.Современныепромышленныецентрифуги/В.И.Соколов.М.:Машиностроение,1967. 523с.11.Гольдин,Е.М.Линейнаятеориямежтарелочныхпотоков/Е.М.Гольдин//ТрудыВНИЭКИпродмаш.1976.№46.С.824.
ДоровскихДмитрийВладимирович,кандидаттехническихнаук,доценткафедры"Эксплуатацияавтомобильноготранспортаиавтосервис"ФГБОУВПО"Тамбовскийгосударственныйтехническийуниверситет",г.Тамбовdima.dorovskikh@yandex.ru
КоноваловДмитрийНиколаевич,старшийпреподавателькафедры"Эксплуатацияавтомобильноготранспортаиавтосервис"ФГБОУВО"Тамбовскийгосударственныйтехническийуниверситет",г.Тамбовkdn1979dom@mail.ru
КоноваловаМаргаритаВалерьевна,магистранткафедры"Эксплуатацияавтомобильноготранспортаиавтосервис"ФГБОУВО"Тамбовскийгосударственныйтехническийуниверситет",г.Тамбовkmv16041979dom@yandex.ru
Анализреологическихмоделейавтомобильныхэксплуатационныхматериалов
Аннотация.Встатьеприведенанализреологическихмоделейавтомобильныхэксплуатационныхматериалов.Рассматриваютсявопросысовершенствованияпроцессацентробежнойочисткитопливаимасел.Ключевыеслова:автомобильныеэксплуатационныематериалы,реология,центробежнаяочистка,центрифуга.
Теоретическаяреологияустанавливаетзависимостимеждудействующиминажидкиематериалымеханическиминапряжениями,деформациямииихизменениямивовремени[1].ВосновуреологиилеглизаконыНьютонаосопротивлениидвижениювязкойжидкости.Ньютонустановил,чтосиласопротивлениясдвигуужидкихтелзависитотплощади,покоторойпроисходитсдвиг,атакжеотскоростисдвига.Вматематическойзаписиньютоновскаямодельвязкойжидкостивыражаетсяформулой:=ி=ߤ·, (1)гдеܨ
сдвигающееусилие,Н;
площадьсдвига,м2;
напряжениесдвига,Па;ߤ
динамическаявязкостьжидкости,Па·с;
градиентскоростисдвига,с1.Вязкостьньютоновскойжидкостизависиттолькооттемпературыидавления.Ньютоновскоеповедениеприсущежидкостям,вкоторыхвязкаядиссипацияэнергииобусловленастолкновениемнебольшихмолекул.Реальныежидкостиснелинейнойкривойтечения(неньютоновскиежидкости)можноразбитьнатриобширныегруппы(таблица1) [2].1.Системы,длякоторыхскоростьсдвигавкаждойточкепредставляетнекоторуюфункциютольконапряженийсдвигавтойжеточке.2.Болеесложныесистемы,вкоторыхсвязьмеждунапряжениемискоростьюсдвигазависитотвременидействиянапряженияилиисториинагруженияжидкости.3.Системы,обладающиесвойствамикактвердоготела,такижидкости,ичастичнопроявляющиеупругоевосстановлениеформыпослеснятиянапряжения(вязкоупругиежидкости).2
Известно,чтопрактическивсечистыеавтомобильныеэксплуатационныематериалыпредставляютсобойньютоновскиежидкости[3].Исключениесоставляютпластичныесмазки,которыеотносятквязкопластичнымсистемам.Ихобъемномеханическиесвойстваопределяютсясуммойреологическихпоказателей,характеризующихупругие,прочностныеивязкостныесвойства[4].Таблица1Неньютоновскиежидкости
ВидреологическогоуравненияНазваниежидкостиРеологическоеуравнение=()бингамовскаяпластичнаяуравнениеШведова–Бингама=0+ߤр∙,
(2)>0псевдопластичнаяуравнениеОствальдадеВиля=∙, (3)<1дилатантная=∙, (4)>1=(,)тиксотропная
реопектическая
=(,ܩ,)вязкоупругаяуравнениеМаксвелла+ఓீ∙,=ߤ∙ (5)
Реологическиемоделизагрязненныхмаселитопливвлитературенеприводятся.Спрактическойточкизрениязнаниереологическоймоделиперерабатываемогоматериалапозволяетсделатьвыводовозможностимеханического(сдвигового)воздействиянаматериалсцельюприданияемузаданныхфизическихсвойств,вчастностивязкости.Всвязисэтим,необходимоопределитьреологическиеуравнениязагрязненныхтопливимасел.Некоторыеисследователисчитают,чтотеориядаетлишькачественнуюсвязьмеждузагрязненностьюмаслаиеговязкостью,количественныхзависимостейпоканенайдено.Связаноэтостем,чтоувеличениесодержаниявмаслезагрязняющихпримесейпроисходитпостепенноисовременемможетприостановиться,авслучаеснижениядиспергирующихсвойствмаславследствиесрабатыванияприсадкиилиприпопаданииводыихколичествоможетсокращаться.И.М.ГоловыхиЕ.В.Носовасчитаютвязкостьмасласлучайнойвеличиной[5].Всвязисэтимдляопределениявязкостиавтомобильныхэксплуатационныхматериаловнеобходимоиспользоватьметодынепосредственногоэкспериментальногоопределения.Современныеметодыиспособыпроектированияиэксплуатациицентрифугопираютсянапредположение,чтовязкостьявляетсяосновнойхарактеристикойочищаемогопродукта.Центрифугарассчитываетсянапереработкуматериаловопределеннойвязкости.Полагают,чтоотвязкостизависитхарактертеченияматериалавроторецентрифугииэффективностьочисткии,чтоперенастройкацентрифугинаочисткуматериаловдругойвязкостиневозможнабезпроведенияглубокихтеоретическихисследованийисерьезнойпеределкиконструкции.Решениемданнойпроблемывидеалеявляетсясозданиеуниверсальныхцентрифуг,позволяющихочищатьлюбыепродукты.Сповышениемтемпературывязкостьэксплуатационныхматериаловуменьшается,чтоблагоприятносказываетсянарезультатахцентрифугирования.Поэтомумаслапередподачейвцентрифугунагреваютдотемпературы6080,топливадотемпературы20
60°С.Темнеменее,впроцессецентрифугированиячастьтеплаочищаемогоматериала,полученногоотнагревательногоустройства,передаетсяустройству,подающемуматериалвцентрифугу,икорпусуцентрифуги,врезультате3
чегоувеличиваютсявязкостьиплотностьматериала,снижаетсяпроизводительностьикачествоцентрифугирования.Вцентрифугахпротекаютпроцесстеплоотдачи(теплооточищаемогоматериалапередаетсявнутреннимповерхностямцентрифуги)ипроцесстеплопередачи(теплоотматериалапередаетсячерезвнешниеповерхностицентрифугивокружающуювоздушнуюсреду).Процессытеплоотдачиитеплопередачипроисходятврезультатеконвекции,теплопроводностиитепловогоизлучения.Температурывразличныхточкахочищаемогоматериалаицентрифугименяютсястечениемвремени,процессытеплопередачиитеплоотдачибудутнеустановившимися.Механизмтеплообменаявляетсяоченьсложнымдажедляустановившихсяпроцессов.Расчетпотерьтеплапродуктамицентрифугированиявлитературенеприводится,таккактребуетустановленияоченьбольшогоколичествапараметров,некоторыеизкоторыхопределяютсятольковрезультатеэкспериментадляконкретныхтемператур.Вязкостьочищаемыхматериаловсчитаетсяпостоянной.Отсутствиетермостатированияодинизнедостатковсуществующихконструкцийцентрифуг.Нагревнефтепродуктовприцентробежнойочисткесвыше80°Снежелателен.Этосвязаносвозникновениемдополнительныхокислительныхпроцессов,которыеобусловленыинтенсивнымсмешиваниемнефтепродуктовсвоздухомвцентрифугах[6].Поэтомуснижениевязкостизагрязненныхтопливаимаселметодами,несвязаннымисповышениемтемпературынагрева,являетсяактуальнымнаправлениемработыисследователейиконструкторов.Сповышениемдавлениявязкостьмаселвозрастает.Вопросохарактереизменениявязкостимаселвзависимостиотдавлениянеоднозначен.Разныеисследователирекомендуютразличныезависимости:степенную[7],линейнуюиэкспоненциальную[8].Существуеттакжеформула,учитывающаянекотороеснижениевязкостизасчетповышениятемпературыиззавозрастаниядавления[7].Такимобразом,принимаемаяврасчетахпараметровцентрифугированиявязкостьочищаемогоматериалабудетотличатьсяотвязкостиэтогожематериаланепосредственновпроцессецентрифугированияиззатемпературныхизмененийидавления.КинематическаявязкостьочищаемогоматериаламожетбытьизмеренаавтоматическимкапиллярнымвискозиметромАПВ62илиультразвуковымвискозиметромстемпературнойкомпенсациейВТК65,которыепредназначеныдляизмерениявязкостивтехнологическихнетермостатированныхпотокахнефтепродуктов. Однако, этиприборынепозволяютизмерятьдинамическуювязкостьвзонеразделения,определитьреологическиехарактеристикиматериалов.Поэтомувозникаетнеобходимостьопределениявязкостиочищаемыхматериаловнепосредственновзонеразделенияцентрифуги.Этазадачаещенерешенаитребуетсозданияновогоклассацентрифугреоцентрифуг,позволяющихопределятьвязкостныехарактеристикиочищаемогопродуктавпроцессецентрифугирования.Наиболееполноразработаннымиитеоретическиобоснованнымиизсуществующихметодовизмерениявязкостиявляются:
капиллярный(течениежидкостивкруглойтрубе);
ротационный(течениежидкостимеждусооснымиконическими,цилиндрическими,сферическими,плоскимиповерхностямииихразличнымисочетаниями);
методпадающегошарика(движениетелавжидкости);
вибрационный(колебаниятвердоготелавжидкости).Существуетбольшоеколичестворазнотипныхприборовдляопределениявязкостиразличныхпродуктовижидкостей.Этообъясняетсябольшимразнообразиемсвойствжидкостейифизическихусловийпроведенияиспытаний,ккоторымотносят:
изменяемостьвязкостистечениемвремени;4
давление(отвакуумадо1,5109Па);
температуру(от90до+1500С°);
вязкость(от410'4до106Па·с);
химическиесвойства;
количествоисследуемойжидкости;
автоматизациюпроцессаизмерения.Такоемножестворазличныхвариацийсвойствисследуемыхвеществиусловийиспытанийпривелоктому,чтобольшинствовискозиметровизготовляетсявединичныхэкземплярах,ачислостандартныхсерийныхприборовмало.Однимизсамыхсовершенныхметодовопределениявязкостиразличныхвеществявляетсяротационныйметод,позволяющийопределятьрелаксационныеиупругиехарактеристикиматериалов,имеющихненьютоновскиесвойства,сниматьполнуюреологическуюкривуютеченияиисследоватькинетикуповеденияжидкостивпроцессеизмерениявязкости.Здесьнеобходиморассмотретьгидродинамическиепроцессытеченияжидкостивцентрифугах,которыеоказываютрешающеевлияниенавремяпребываниячастицывполецентробежныхсил,производительностьцентрифугииэффективностьразделениясуспензии.Вцентрифугахнаблюдаютсягидродинамическиеявления,обуславливающиеопережениеилиотставаниежидкостиотротора,турбулентнуюпульсациюжидкостиит.д.Всеэтоприводиткснижениюфактораразделения.Теоретическиеиэкспериментальныеисследованияпотоковжидкостивроторахцентрифугбазируютсянафундаментальныхосновахгидродинамики,механикисплошныхсред,теориипограничногослояиприкладнойматематики.Режимтечениясуспензиивроторецентрифугиявляетсявесьмасложныминедостаточноизучендажедляоднороднойжидкости[1].Насовременномэтапеисследованиягидродинамикитеченияжидкостивроторахцентрифугсуществуюттриосновныетеории[1]:
слойноготечения;
поверхностноготечения;
теориялинийтока.Втеориислойноготеченияосновнымпредположениемявляетсясуществованиеламинарногорежимапотокавроторецентрифуги.Однако,экспериментальнымиданнымибылодоказано,чтоданноепредположениесправедливолишьпрималыхчислахРейнольдсадляпотока[2].Согласнотеорииповерхностноготеченияпоступившаявроторсуспензияневытесняетвесьобъемжидкости,ранеезаполнявшийротор,арастекаетсяпоповерхностиротора,образуятонкийсливнойслой[2].Основнаямассажидкости,находящаясявроторе,образуеткакбыгидравлическуюподушку,покоторойскользитсливнойслой.Темнеменее,такаятрактовкахарактератеченияповерхностногослояявляетсянеприемлемойдляреальныхжидкостей,обладающихвязкостью[1].ТеориялинийтокаприменительнокосадительнымцентрифугамразработанаЕ.М.Гольдиным[9].Используяклассическиеметодыгидродинамикиидеальнойжидкости,онустановил,чторасположениелинийтокасущественнозависитотконфигурацииротора.Пригидродинамическоманализевнутрироторныхпотоковжидкостицентрифугспакетомконическихтарелоквкачествемоделипринимаетсяустановившийсяламинарныйпотоквязкойнесжимаемойньютоновскойжидкостимеждудвумяжесткосвязаннымисвращающимисясбольшойугловойскоростьюэквидистантнымисооснымиконусами.Основнойпотокжидкостирассматриваетсякакоднородный,иегодвижениеописываетсяуравнениямиНавьеСтокса[10].Сейчасдостаточнополноразработаныдвегидродинамическиетеориимежтарелочныхпотоковжидкостивцентрифугах:линейнаяинелинейная.5
ЛинейнаятеорияпренебрегаетсиламиинерцииотносительногодвиженияжидкостивполнойсистемеуравненийНавьеСтокса.Такоеупрощениедопустимодляслучаямалогорасходажидкости,чтодоказываетсясовпадениемтеоретическихвыводовсфактическимиданными,накопленнымивпрактикеиполученнымиврезультатеэкспериментов[2].Вслучаеповышенныхрасходовнеобходимоприменятьнелинейнуютеорию.Тонкослойныепотокимеждуконическимиповерхностямивроторахцентрифугмогутбытьоднофазнымиидвух(трех)фазными,сходящимися(периферийноепитание)ирасходящимися(осевоепитание),осесимметричнымиинеосесимметричными.Модельосесимметричноготеченияоднороднойвязкойжидкостиприближенноописываетповедениежидкостивтомслучае,когдамежтарелочноепространствослабоискаженонаправляющимиилидистанционнымиупорами,аусловияподачижидкостивканалслабозависятотокружнойкоординаты.Кмоделинеосесимметричногопотокаприбегаютвтехслучаях,когдавнутрироторныйпотоксильноискажаетсяпрепятствиями,напримеррадиальнымиребрами,иликогдаподачажидкостинеравномернапоокружности.Модельмногофазныхсредиспользуетсявслучае,когдаконцентрациядисперснойфазывсуспензиинемала.ЛинейнаятеориямежтарелочныхпотоковнаиболееполноразработанаЕ.М.Гольдиным[11].ВэтихработахрассмотренаупрощеннаялинеаризованнаясистемауравненийНавьеСтокса,вкоторойпренебрегаютмалымипараметрами.Введеннаяприэтомбиконическаясистемакоординат,наиболееполноотражаетгеометриюмежтарелочногопространства.Е.М.Гольдинымбыливведеныбезразмерныекритериальныепараметрыߣи. Числовыезначенияэтихпараметровхарактеризуютэффективностьработыцентрифугивцелом,позволяютвыбиратьцентрифуги,обеспечивающиенаиболеерациональныйрежимработы.КоэффициентߣпредставляетсобойотношениесилКориолисаксиламвязкости,а
отношениесреднеймеридиональнойскоростидвиженияпотокакокружнойскороститарелок.ߣ=ℎ·√·sin()ఔ, (6)где
угловаяскоростьвращенияжидкости,рад/с;ߥ
кинематическаявязкостьжидкости,м2/с;h
величинамежтарелочногозазора,м;
уголнаклонаобразующейконусакосивращения.РезультатылинейнойтеориимежтарелочныхпотоковмогутбытьиспользованывкачествепервогоприближенияприрешениинелинейнойсистемыуравненийНавьеСтоксаразличнымиприближеннымиметодами.
Ссылкинаисточники1.Виноградов,Г.В.Реологияполимеров/Г.В.Виноградов,А.Я.МалкинМ.:Химия,1997.
438с.2.Уилкинсон,У.Л.Неньютоновскиежидкости.Гидромеханика,перемешиваниеитеплообмен/У.Л.Уилкинсон;переводсангл.З.П.Шульман;подред.акад.проф.А.В.Лыкова.М.:Мир,1964.216 с.3.Павлов,В.П.Автомобильныеэксплуатационныематериалы/В.П.Павлов.М.:Транспорт,1982.208с.4.Ваванов,В.В.Автомобильныепластичныесмазки/В.В.Ваванов,В.В.Вайншток,А.А.ГуреевМ.:Транспорт,1986.144с.5.Головых,И.М.Заменамоторногомаслапофактическомусостоянию/И.М.Головых,Е.В.Носова//Автомобильнаяпромышленность.1998. —№1—С.23246.Шашкин,П.И.Регенерацияотработанныхнефтяныхмасел/П.И.Шашкин,И.В.Брай.М.:Химия,1970.304с.6
7.Итинская,Н.И.Справочникпотопливу,масламитехническимжидкостям/Н.И.Итинская,Н.А.Кузнецов.М.:Колос,1982.208с.8.Васильева,Л.С.Краткийсправочникпоавтомобильнымэксплуатационнымматериалам/Л.С.Васильева,—М,:Транспорт,1992,—120с.9.Борц,М.А.Принципырасчетаосадительныхцентрифугдляугольнойпромышленности/М.А.Борц,Е.М.Гольдин,B.C.Каминский.М.:Недра,1966.103с.10.Соколов,В.И.Современныепромышленныецентрифуги/В.И.Соколов.М.:Машиностроение,1967. 523с.11.Гольдин,Е.М.Линейнаятеориямежтарелочныхпотоков/Е.М.Гольдин//ТрудыВНИЭКИпродмаш.1976.№46.С.824.