автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Теоретические основы и пути совершенствования процессов массоподготовки и принудительного формования изделий из суспензий различного композиционного состава

Уч. № 4

Для служебного пользования Экз. № Ц

На правах рукописи

РУДЕНКО АНАТОЛИЙ ПАВЛОВИЧ

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ МАССОПОДГОТОВКИ И ПРИНУДИТЕЛЬНОГО ФОРМОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СУСПЕНЗИЙ РАЗЛИЧНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО СОСТАВА

Специальность 05.21.03 - технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Красноярск - 2001

Работа выполнена в Сибирском государственном технологическом университете на кафедре конструкционных материалов

Научный консультант: д.т.н., профессор Алашкевич Ю.Д.

Официальные оппоненты : - доктор технических наук, профессор

Левин Б.Д.

- доктор технических наук, профессор Кокушин Н.Н.

- доктор химических наук, с.н.с. Гоготов А.Ф.

Ведущее предприятие - ЦНИИбуммаш, г.Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится 18 мая 2001 г. в 10_часов на заседании диссертационного совета Д 212.253.01 при Сибирском государственном технологическом университете по адресу: 660049, г.Красноярск, пр.Мира, 82.

Заверенные отзывы на автореферат направлять в двух экземплярах по адресу: 660049, г.Красноярск, пр.Мира, 82, СибГТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского государственного технологического университета.

Автореферат разослан << апреля 2001 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета канд.хим.наук, доцент

Е.В.Исаева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Тенденцией приоритетного направления в развитии технического прогресса на современном этапе материального производства является всесторонняя интенсификация технологических процессов. Практическая реализация данного положения на химических и целлюлозно-бумажных предприятиях предполагает достижение максимальной производительности технологического оборудования с минимально возможными энергозатратами при условии обеспечения стабильности выпуска качественной продукции посредством использования технологических процессов, позволяющих с достаточной степенью надежности получение заданных показателей.

Среди различных видов продукции, получаемых из волокнистых суспензий разнообразного композиционного состава, особое место занимают изделия, производимые путем принудительного формования посредством фильтрации суспензий с образованием осадка на формующей сетке. Изделия, получаемые путем принудительного формования, имеют различную объемно-пространственную форму, которая зависит от их функционального назначения. Высокое качество производимых, формованием изделий посредством принудительной фильтрации волокнистых и волокнисто-порошковых суспензий определяется наряду с физико-механическими показателями ординарного значения еще целым рядом дополнительных характеристик. К ним относятся такие, как заданное распределение масс в корпусе изделия, особенности его макро- и микроструктуры, требуемое распределение толщин в формообразующих элементах и др.

Стабильное обеспечение соответствия качественных показателей каждого изделия требуемым возможно тогда, и только тогда, когда технологический режим исключает возможность возникновения нештатных ситуаций во всех операциях производственного цикла. Попытки получения положительных результатов конкретно в данной области промышленного производства классическим методом проб и ошибок в подавляющем большинстве случаев закончились получением отрицательных результатов. Закономерным следствием подобного положения вещей является чрезвычайно низкий уровень качества производимой отечественной звуковоспроизводящей аппаратуры, по сравнению с ведущими мировыми фирмами, а основным звуковоспроизводящим элементом в данной аппаратуре является, получаемое путем формования из волокнистой суспензии изделие, - диффузор. Подобная аналогия имеет место и в случае производства специальных крупногабаритных изделий, сгорающих гильз, которые также получают формованием из волокнисто-порошковых суспензий.

И наконец, комплексный подход к повышению качества изделий, получаемых путем формования, предполагает наличие соответствующих требований ^основному технологическому оборудованию и технологическим режимам, связанных с подготовкой и транспортировкой рабочих волокнистых и волокнисто-порошковых суспензий к узлам формования. Существенные конструктивные недоработки аппаратов, комплектующих линии подготовки и

тракты подачи рабочих суспензий вызваны также отсутствием необходимых научно-обоснованных методов расчетов и проектирования оборудования требуемого функционального назначения.

В этой связи, создание теоретических основ и путей совершенствования процессов массоподготовки и принудительного формования изделий из суспензий различного композиционного состава является крупной научной проблемой, актуальность решения которой имеет определенную техническую целесообразность и существенную экономическую эффективность.

Цель и задача работы. Целью настоящей работы является разработка теоретических положений и практических рекомендаций по гидродинамической оценке трактов подготовки и подачи для переработки волокнистых суспензий различного композиционного состава, а также научно-обоснованных методов расчетов и проектирования технологического оборудования, обеспечивающего при оптимальных условиях эксплуатации требуемое качество получаемых формованием изделий.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: разработка физической и реологической моделей, характеризующих структурные превращения в волокнисто-порошковых суспензиях на различных этапах изменения характера движения в трактах подачи и в проточных полостях гидравлических аппаратов; создание теории оценки состояния волокнисто-порошковой суспензии в реальном масштабе времени во всех элементах гидродинамической цепи тракта подачи; разработка теоретических основ профилирования поверхности рабочих полостей гидравлических аппаратов с учетом минимальных потерь на сопротивление движению волокнистой суспензии при условии поэлементного соединения их в замкнутую рабочую гидравлическую цепь; установление закономерности процесса фракционирования волокнистых суспензий в гидродинамическом центробежном поле с получением фракций различных по длине волокон; разработка теоретических основ процесса формования изделий из волокнисто-порошковых суспензий посредством фильтрации через формующую сетку непрерывно подаваемого порционного количества рабочей суспензии; определение закономерностей процессов формования диффузоров электродинамических громкоговорителей из волокнистых суспензий со структурой и перемешюй толщиной корпусов, обеспечивающих получение заданных значений электроакустических характеристик; разработка методик гидродинамических расчетов узла формования крупногабаритных изделий, аппарата для гидродинамического фракционирования волокнистых суспензий и установок вакуумного формования диффузоров с секционной формующей головкой и с гидрозакруткой суспензии при формовании.

Научная новизна.

Разработана физическая и реологическая модели, характеризующие структурные превращения в волокнисто-порошковых суспензиях на различных этапах изменения характера движения в трактах подачи и в проточных полостях гидравлических аппаратов

Создана теория оценки состояния волокнисто-порошковой суспензии в реальном масштабе времени во всех элементах гидродинамической цепи тракта подачи.

Разработаны теоретические основы профилирования поверхности рабочих полостей гидравлических аппаратов с учетом минимальных потерь на сопротивление движению волокнистой суспензии при условии поэлементного соединения их в замкнутую рабочую гидравлическую цепь.

Установлены закономерности процесса фракционирования волокнистых суспензий в гидродинамическом центробежном поле с получением фракций различных по длине волокон.

Разработаны теоретические основы процесса формования изделий из волокнисто-порошковых суспензий посредством фильтрации через формующую сетку непрерывно подаваемого порционного количества рабочей суспензии.

Определены закономерности процессов формования диффузоров электродинамических громкоговорителей из волокнистых суспензий со структурой и переменной толщиной корпусов, обеспечивающих получение заданных значений электроакустических характеристик.

Разработаны методики гидродинамических расчетов: узла формования крупногабаритных изделий, аппарата для гидродинамического фракционирования волокнистых суспензий и установок вакуумного формования диффузоров с секционной формующей головкой и с гидрозакруткой суспензии при формовании.

Основные методологические положения работы. Методологической основой выполненных исследований, результаты которых представлены в настоящей работе, являются основополагающие законы реологии и гидродинамики неньютоновских жидкостей, фильтрации волокнистых суспензий различного композиционного состава с образованием сжимаемых и несжимаемых осадков, акустики средних частот, а также научно-исследовательские работы отечественных и иностранных ученых, касающиеся данной области знаний.

Экспериментальная проверка основных теоретических положений, полученных в результате исследований, проводилась на гидродинамическом стенде и лабораторных установках СибГТУ, ротационном вискозиметре С.-ПбТУ РП, пилотных установках ВНИИРПА им.А.С.Попова, а также на предприятиях: радиозаводах Бердском и "Динамик", химкомбинате "Енисей" и экспериментальной базе КНИИХП.

Математико-статистическая обработка экспериментальных данных проводилась с использованием соответствующего программного обеспечения на ЭВМ.

Практическая ценность работы. В результате анализа выполненных теоретических и практических исследований были разработаны методики расчета рабочих полостей гидродинамического фракционатора и профилирования объемных элементов многоцелевого емкостного аппарата, предназначенных для подготовки волокнистых и волокнисто-порошковых суспензий для последующей переработки путем формования изделий.

Разработан метод гидродинамической диагностики линии формования крупногабаритных изделий.

Новизна ряда технических разработок способов и устройств по фракционированию, гашению пульсаций давления, формованию крупногабаритных изделий и диффузоров подтверждена выдачей авторских свидетельств.

Реализация работы в промышленности. Теоретические разработки в виде методик расчетов используются в практике конструкторско-технологических разработок ВНИИРПА им.А.С.Попова, КНИИХП, а также нашли применение в реконструкции промышленных технологических линий химкомбината "Енисей", КНИИХП, радиозаводах.

Результаты научных исследований используются в учебном процессе подготовки инженерных кадров при выполнении курсового и дипломного проектирования.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов и научных работников ЛТИ ЦБП - 1973-1976г.г. ., на отраслевых совещаниях КНИИХП -1984-1986г.г., СибГТУ - 1975-2000г.г., на всесоюзных(1975,1981,1991гг.), российских (1994,1995гг.) и международной(2000г.) конференциях, посвященных вопросам совершенствования технологий ЦБП.

Публикации. По результатам выполненных теоретических и экспериментальных исследований опубликовано 54 печатных работы, из них 20 авторские свидетельства и 1 учебное пособие.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы - 243 наименования, 92 рисунка, 33 таблиц. Объем диссертации изложен на 336 страницах.

Автор защищает:

Физическую и реологическую модели, характеризующие структурные превращения в волокнисто-порошковых суспензиях на различных этапах изменения характера движения в трактах подачи и в проточных полостях гидравлических аппаратов

Теорию оценки состояния волокнисто-порошковой суспензии в реальном масштабе времени во всех элементах гидродинамической линии тракта подачи.

Теоретические основы профилирования поверхности рабочих полостей гидравлических аппаратов с учетом минимальных потерь на сопротивление движению волокнисто-порошковой суспензии при условии поэлементного соединения их в замкнутую рабочую гидравлическую цепь.

Теоретические закономерности процесса фракционирования волокнистых суспензий в гидродинамическом центробежном поле с получением фракций различных по длине волокон.

Теоретические основы процесса формования изделий из волокнисто-порошковых суспензий посредством фильтрации порционного потока непрерывно подаваемого на формующую сетку.

Закономерности процессов формования диффузоров электродинамических громкоговорителей из волокнистых суспензий со структурой и переменной толщиной корпусов, обеспечивающих получение заданных значений электроакустических характеристик.

Методики гидродинамических расчетов: узла формования крупногабаритных изделий, аппарата для гидродинамического фракционирования волокнистых суспензий и установок вакуумного формования диффузоров с секционной формующей головкой и с гидрозакруткой суспензии при формовании.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении выполнено обоснование актуальности темы для отраслей промышленности, связанных с производством прецизионных высококачественных изделий путем формования их из волокнистых и волокнисто-порошковых изделий. В заключительной части сформулированы цель и задачи, решение которых производится в процессе выполнения данной работы.

В первой главе отмечено, что в научно-технической литературе отсутствует классификационная система изделий, получаемых путем формования из волокнистых суспензий. Этим объясняется расплывчатость и отсутствие конкретности в выдаче необходимых рекомендаций и разработке соответствующих методик по расчету, проектированию основного технологического оборудования и необходимых технологических режимов производства прецизионных формованных изделий.

Далее выполнен подробный анализ эффективности работы технологического оборудования для подготовки волокнистых суспензий и формования из них изделий специфического функционального назначения. Правильность теоретического описания процессов взаимодействия используемых суспензий с рабочими проточными полостями аппаратов позволяет выбрать оптимальные формы отдельных элементов корпусов гидравлического оборудования.

Показано, что волокнистые суспензии, являясь неньютоновскими жидкостями, в зависимости от характера движения в проточной полости изменяют свою внутреннюю структуру. Как следствие этого взаимодействия, изменяется вязкость суспензии в процессе движения. Реологическое поведение суспензии описывается уравнением, которое является составной частью общего уравнения гидродинамики волокнистых суспензий, используемое в прикладных целях для расчетов гидравлического технологического оборудования в двух модификациях проекций в цилиндрической и декартовой системах координат.

Санкт-Петербургская школа реологии волокнистых суспензий, возглавляемая проф. О.А.Терентьевым, выполнила определенную часть теоретических и экспериментальных исследований, касающихся волокнистых суспензий. Что же касается волокнисто-порошковых суспензий, также используемых для формования изделий различного функционального

назначения, то в этой области к настоящему времени выполнены только работы поискового характера. Поэтому дальнейшие исследования волокнисто-порошковых суспензий являются актуальными и востребованными в прикладных целях для расчетов и проектирования оборудования и технологии производства, в частности, крупногабаритных изделий.

Технологические процессы формования изделий, которые относятся к прецизионным по исполнению, включают две составляющие стадии: подготовительную, связанную с обработкой композиционных составляющих, и основную - непосредственно процесс формования изделий посредством принудительной фильтрации волокнистых суспензий с получением осадка на формующей сетке.

В рамках подготовительной стадии возникает необходимость фракционирования волокнистой нитроцеллюлозной суспензии в промышленных условиях. Соответствующих теоретических разработок, а также необходимые экспериментальные исследования в данной области отсутствуют за исключением метода ситового фракционирования Кларка, но он, как известно, предназначен для лабораторных условий использования.

Кроме операций фракционирования, является также необходимым использование аппаратов, позволяющих эффективно производить технологические операции смешивания для подготовки суспензий различного композиционного состава, содержащих ингредиенты волокнистого и порошкового вида, хранения приготовленных рабочих волокнисто-порошковых суспензий и порционную выдачу кондиционной суспензии для формования. Эффективно осуществить вышеперечисленные операции не представляется возможным по причине отсутствия соответствующего технологического оборудования. В данной области знаний, относящейся к расчетам и проектированию мешалок и реакторов, имеются рекомендации и методики общего и частного характера, но они не учитывают специфику поведения в проточной полости аппарата неньютоновских жидкостей.

Основная стадия производства прецизионных изделий представляет собой формование изделий путем фильтрации волокнистых суспензий различного композиционного состава. Образующийся осадок на формующей сетке должен иметь определенную структуру, которая, например, для диффузора громкоговорителя способствовала бы достижению требуемых акустических характеристик.

Выполненные исследования не в полной мере отражают многообразие действующих факторов при формовании изделий по причине эмпирического характера их проведения. К тому же отсутствуют методы операционного контроля структуры получаемых формованием изделий, что является препятствием на пути поиска причинно-следственной связи технологических факторов производства и функциональных характеристик.

При формовании крупногабаритных изделий отсутствуют радикальные методы оценки элементов тракта подачи волокнисто-порошковой суспензии в узел формования, что является причиной затруднений, связанных с получением кондиционных крупногабаритных изделий.

Кроме этого, в процессе формования крупногабаритных изделий производится непрерывная подача волокнисто-порошковой суспензии в течение всего цикла производства изделия. Ни теоретических, ни экспериментальных исследований данного процесса не имеется, что является существенным препятствием для создания основного технологического оборудования, обеспечивающего получение продукции с требуемыми значениями функциональных характеристик.

В связи с вышеизложенным, в настоящей работе определены для решения следующие задачи: разработка физической и реологической моделей, характеризующих структурные превращения в волокнисто-порошковых суспензиях на различных этапах изменения характера движения в трактах подачи и в проточных полостях гидравлических аппаратов; создание теории оценки состояния волокнисто-порошковой суспензии в реальном масштабе времени во всех элементах гидродинамической цепи тракта подачи; разработка теоретических основ профилирования поверхности рабочих полостей гидравлических аппаратов при условии поэлементного соединения их в замкнутую рабочую гидравлическую цепь, установление закономерности процесса фракционирования волокнистых суспензий в гидродинамическом центробежном поле с получением фракций различных по длине волокон; разработка теоретических основ процесса формования изделий из волокнисто-порошковых суспензий посредством фильтрации через формующую сетку непрерывно подаваемого порционного количества рабочей суспензии; определение закономерностей процессов формования диффузоров электродинамических громкоговорителей из волокнистых суспензий со структурой и переменной толщиной корпусов, обеспечивающих получение заданных значений электроакустических характеристик, разработка методик гидродинамических расчетов узла формования крупногабаритных изделий, аппарата для гидродинамического фракционирования волокнистых суспензий и установок вакуумного формования диффузоров с секционной формующей головкой и с гидрозакругкой суспензии при формовании.

Вторая глава посвящена разработке теоретических основ реологии и гидродинамики волокнистых и волокнисто-порошковых суспензий в трактах подачи и проточных полостях гидравлических аппаратов.

Волокнистая суспензия представляет систему, состоящую из двух фаз, жидкой непрерывной (воды) и твердой прерывистой (волокна, порошкообразные вещества).

В механике суспензий рассматривается большое количество физико-химических явлений: тепло- и массообмен между двумя фазами, поверхностное натяжение, электростатические взаимодействие и др. Все они, конечно, влияют на взаимодействие фаз в волокнистой суспензии, но для решения практических задач преимущественно действующими принято считать механические силы трения, а действие остальных - незначительными по сравнению с ними.

Течение волокнистых суспензий, являющихся неньютоновскими жидкостями, отличается от течения ньютоновских жидкостей. Аномалия течения вызывается наличием особого вида твердой фазы - волокон, образующих в

суспензии сетчатый каркас. Этот каркас в процессе движения суспензии деформируется, при этом имеет место различная его степень разрушения вплоть до полного исчезновения с изменением структуры суспензии в условиях постепенного возрастания скорости движения.

При достижении градиентом скорости критического значения режим движения становится турбулентным, а состояние суспензии будет диспергированным, аналитическое описание будет аналогично

закономерностям, характеризующим движение ньютоновских жидкостей.

К настоящему моменту отсутствует теоретическое описание совмещенного процесса, включающего непрерывную подачу суспензии в зону формования и одновременно протекающий процесс получения осадка на формующей сетке, что отрицательно отражается на разработке надежных достаточно стабильных технологических процессов и, в конечном счете, реализуется в неоправданно низких показателях готовой продукции - изделиях, получаемых путем формования.

В данной главе произведена разработка физических основ движения волокнистых и волокнисто-порошковых суспензий в гидравлических аппаратах, входящих в компоновку технологических линий производства изделий до контакта суспензий с сеткой узла формования.

При формовании изделий для получения уравнения движения волокнистой суспензии в качестве исходного использовано общее уравнение движения волокнистой суспензии Навье-Стокса, модернизированное О.А.Терентьевым с учетом внутренних напряжений, в векторной форме:

Выражение в скобках, учитывающее аномалию волокнистой суспензии, характеризует внутреннее напряжение структурированного потока:

Приведенное уравнение характеризует аномалию волокнистых суспензий для группы низких концентраций (практически до 1,5%).

При формовании диффузоров электродинамических громкоговорителей используются волокнистые суспензии, относящиеся к вышеуказанной группе суспензий. Для аналитического описания реологических свойств данных рабочих волокнистых суспензий использовано известное уравнение напряжения сдвига: т = А1е~а''> + Аге~°" + ¿1ту (3)

Ахё~щ ' - напряжение трения волокнистого стержня;

А2е~а' * - напряжение, характеризующее внутреннюю прочность волокнистого стержня;

-у - напряжение вязкости диспергированной волокнистой суспензии. Анализ реологического уравнения (3 ) показал, что в процессе структурных изменений при движении волокнистой суспензии наступает такой момент, когда первые два члена уравнения исчезнут по причине полного разрушения

(1)

г,

V

(2)

волокнистого стержня и в потоке будут действовать только усилия вязкостного трения. Такое состояние структуры потока волокнистой суспензии в гидродинамике принято называть диспергированным.

Для обеспечения равномерности скалярного поля концентраций в околосеточной области напускаемый поток должен быть именно диспергированным, то есть суспензия в этом случае является системой, структура которой представляет собой движущиеся разобщенные ориентированные по направлению движения волокна в жидкой водной среде.

Важно при этом отметить следующее положение, что аналитическое описание гидродинамики течения волокнистой суспензии в диспергированном состоянии производится с использованием уравнения для движения ньютоновских жидкостей, то есть уравнение Навье-Стокса.

Коэффициент динамической вязкости (¿г отличается от аналогичного коэффициента для ньютоновских жидкостей, определяется он по реологической кривой, построенной для конкретной рабочей волокнистой суспензии.

При транспортировании и напуске волокнистой суспензии в процессе производства диффузоров громкоговорителей необходимо выполнение двух условий:

а) обеспечить диспергированное состояние волокнистой суспензии;

б) создать необходимые условия формования диффузоров при гидродинамически закрученном напускаемом потоке, что способствует преимущественной ориентации волокон в структуре изделия.

Для предотвращения преждевременного осаждения волокон путем неконтролируемого начала фильтрации до напуска рабочей волокнистой суспензии в литьевой стакан через патрубки производится подача под давлением воды до верхнего уровня формующей сетки.

В результате тангенциального подвода водяная "подушка" получает вращательное движение, способствующее движению в установившемся режиме подаваемой затем рабочей суспензии. Расчетная схема формования диффузоров с использованием способа литьевого стакана с гидрозакруткой волокнистой суспензии представлена на рисунке 1.

Рис. 1-. Расчетная схема формования диффузоров с использованием литьевого стакана с гидрозакруткой волокнистой суспензии

Для анализа структуры скоростей во вращающемся потоке волокнистой суспензии при формовании диффузоров использовано уравнение Навье-Стокса в проекциях на оси цилиндрической системы координат и уравнение неразрывности: на ось Ог:

'йи йи V ¿и ¿и V2) „ ф <Ь„ с1т г„ - г

— + и— +--+ ---\~pFr —гн— +--+— +-—.

Л йг г с1<р ¿2 г ) аг аг г <кр ск г

на ось гА(р\

йУ Ж V <1V аV «Л _ 1 ф ¿т 1 яГг йтг? 2г

—+и--ь--+м<--ь— = рР---+—2- +--+ —+ —

Л с1г г й<р (кг) г ¿<р с!г г ¿г г

на ось Ог.

{ сЫ/ <Ь> V сЫ> сЫ>\ „ ф ¿т,г 1 (¡т ¿т„ т.,

А — + и — + —--н IV— = /гГ —*-+—^ +--

^ Л с1г г ¿ср <к) ¿% йг г ау <Ь г

сЗи 1 ¿У сЫ> и „

—+--—I-— + - = 0 с1г Г ¿ср (¡2 Г

(4)

Данная система уравнений (4) позволяет выполнять анализ распределения скоростей и давлений в литьевом стакане узла формования диффузоров.

Принимая, что в начальный момент составляющие скорости по осям Ог и Ог и = 0, -\у = 0,система уравнений (4) с указанными допущениями имеет следующий вид:

±врИ (5)

аг г <1г г с1г

Используя первое уравнение системы (4), получено его решение в следующем виде:

У = г

п,к Зкт„п3

[ ък'щщ -щкг 1 бг6 4г4 г2

(6)

+

7И„ -т0п, -т,

2 0

яж)

1 т-

где н„ = —, и2 = — т т

п*1 4»!

«3 л+1

_ 2тг -п\т2

л+1

+

Граничные условия для выражения (6) следующие: при г=И V = Утах при г=0 У=0

Аналитическое выражение (б) позволило произвести исследование изменения линейной скорости во вращающемся потоке рабочей суспензии в литьевом стакане.

Величина максимальной скорости волокнистой суспензии на входе в литьевой стакан, принимая характер движения турбулентным, определена по следующему выражению:

И -б^Ил п)

где -коэффициент, учитывающий конструктивные особенности узла

АуХ

формования и свойства рабочей волокнистой суспензии, ц - ускорение свободного падения, <1 - диаметр входного патрубка, у - удельный вес суспензии, А. - коэффициент гидравлических потерь на трение.

Величина касательного напряжения (т) и модуля сдвига (у) имеют критические значения, так как только в этом случае будет обеспечиваться диспергированное

состояние напускаемой рабочей волокнистой суспензии. Величины [у,.х.]гр определяются по реологической кривой для данной рабочей волокнистой суспензии.

Таким образом, используя полученные аналитические выражения, производилось прогнозирование при гидродинамической закрутке состояния структуры рабочей волокнистой суспензии в процессе формования диффузоров.

Физическая и реологическая модели волокнисто-порошковой суспензии. Волокнисто-порошковые суспензии также как и волокнистые относятся к классу неныотоновских жидкостей.

Рис 2,-Физическаямодель и теоретическая реологическая характеристика волокнисто-

порошковой суспензии

Композиционный состав волокнисто-порошковой суспензии, используемой для формования специальных изделий, содержит волокнистые и порошковые

ингредиенты, причем, исключая целлюлозные волокна, остальные обладают гидрофобными свойствами.

Это отличительное свойство композиционного состава волокнисто-порошковой суспензии является существенной причиной аномального ее поведения по сравнению даже с волокнистой суспензией.

Для получения, а затем для поддержания диспергированного состояния структуры волокнисто-порошковой суспензии, необходимо обеспечить турбулентный режим ее движения.

Как и для волокнистых суспензий, основополагающим параметром является скорость напуска волокнисто-порошковой суспензии при формовании изделий, причем величина скорости должна быть такой, чтобы обеспечивалась структура потока в режиме диспергированного состояния.

Для создания высокой степени диспергированности необходимо в потоке суспензии создать требуемый уровень турбулентности. При турбулентном движении как волокнистой, так и волокнисто-порошковой суспензии имеют место пульсации давления и скорости, причем высокочастотные пульсации способствуют достижению требуемой степени диспергации.

Для волокнистой суспензии, как известно, обеспечивается диспергированное состояние необходимым режимом движения, отвечающим критическому градиенту сдвига, относящемуся к началу прямолинейного участка реологической характеристики, построенной посредством ротационной вискозиметрии. Особую важность в данной работе имеет проведение исследования, подтверждающего или отвергающего данное условие диспергированного состояния структуры для волокнисто-порошковой суспензии.

Для достоверной интерпретации реологической характеристики волокнисто-порошковой суспензии необходимо выполнить построение физической модели, адекватно отражающей структурные процессы, происходящие в исследуемой суспензии от начального состояния покоя до достижения скорости, обеспечивающей турбулентный характер движения (рис.2).

Волокнисто-порошковая суспензия в статическом состоянии, как коагуляционная система, сжимается, освобождая при этом часть воды в периферийной области у стенок капала.

Сетчатый каркас из волокон и порошкообразной композиционной составляющей при этом уплотняется, а отфильтрованная вода с порошкообразной составляющей у стенок канала образует тонкий слой(У0=0).

В начальный момент для страгивания сетчатого каркаса необходим напор, состоящий из первоначального, образовавшегося естественным образом при сжатии в виде тонкого водно-порошкового слоя у стенок канала, и дополнительного, приложенного к данной системе извне.

По мере роста градиента сдвига происходит вследствие действия сил трения воздействие на водно-порошковую прослойку со стороны стенок канала, с одной стороны, и со стороны волокнистой-порошкового каркаса, - с другой(У]>У0).

В результате наличия такого напряженного состояния будут происходить постепенное разрушение волокнисто-порошкового каркаса при одновременном возрастании толщины слоя у стенок с диспергированной волокнисто-порошковой суспензией (У2>У0.

В момент достижения потоком суспензии критического градиента сдвига каркас полностью разрушается и состояние структуры должно быть полностью диспергированное (У3>У2).

Однако, выполненные эксперименты с использованием ротационной вискозиметрии не подтвердили полную диспергацию - в потоке находились флокулы, соизмеримые с величиной турбулентной интенсивности вихрей.

Если данный режим принять в качестве рабочего при соответствующем градиенте сдвига, то существенно возрастает вероятность получения структуры сформованных специальных изделий с локально вкрапленными дефектами, что крайне недопустимо.

При наличии таких дефектов возможно не только снижение функциональных характеристик изделий, но и возрастает вероятность возникновения аварийной ситуации в случае отсутствия своевременной отбраковки изделий, которая, в свою очередь, очень мало эффективна при существующей практике исполнения.

В напускаемой для формования волокнисто-порошковой суспензии в диспергированном состоянии, в случае уменьшения усилий деформации прогрессирует процесс релаксации, то есть снова образуются мелкие флокулы.

Для обеспечения гарантированного состояния диспергированности потока суспензии необходимы такие значения градиентов сдвига, когда заканчивается линейный участок на реологической кривой и наступает мелкомасштабный турбулентный характер движения потока суспензии (У4>У3).

Реологическое уравнение для теоретической кривой течения волокнисто-порошковой суспензии имеет следующий вид:

т = +А;е-"°г +Лге-°* + А^ + , (8)

/

где А, - напряжения трения воднопорошкового слоя о стенки канала;

и

А, -напряжения трения воднопорошкового слоя о волокнисто-порошковый стержень;

Аг - напряжения, характеризующие прочность самоуплотняющихся

флокул;

Аз -напряжения, характеризующие прочность волокнисто-порошкового стержня;

а„а2,а3 - соответственно промежутки времени структурных

превращений;

у - градиент скорости; цт - динамический коэффициент турбулентной вязкости волокнисто-порошковой суспензии.

Полученное реологическое уравнение волокнисто-порошковой суспензии использовано для решения уравнения Навье-Стокса в модифицированном виде, что позволило исследовать движение потока рабочей суспензии в тракте подачи линии формования крупногабаритных изделий.

Осуществляя транспортирование волокнисто-порошковой суспензии в тракте подачи линии формования крупногабаритных изделий необходимо иметь аналитические зависимости, позволяющие определить расчетным путем, оптимальные значения гидродинамических характеристик в каждом гидравлическом элементе.

Тракт подачи волокнисто-порошковой суспензии включает многоцелевой емкостный аппарат —» дозатор —> диффузор -» турбулизирующую решетку —> узел формования.

При выходе волокнисто-поршковой суспензии из дозатора в трубопровод тракта подачи эпюра скоростей должна иметь форму квадратичной параболы, в этом случае характер движения будет гарантировано диспергированным.

С учетом реологической характеристики (8) выражение, позволяющее рассчитать эпюру скоростей в трубопроводе, имеет следующий вид:

V- , . ^-,.[1-41 (9)

На входе в следующий по ходу тракта подачи элемент называемый диффузором , который служит для раскрытия потока от проходного сечения трубы до поперечного сечения узла формования, скорость определяется по выражению (9);а в полости диффузора и на выходе из него следующим выражением:

-ак- ¡Л •■2

4 £4«

г

+ = С (10)

При прохождении волокнисто-порошковой суспензии в полости диффузора происходит уменьшение скорости движения потока за счет трансформации кинетической энергии в потенциальную.

В этом случае, благодаря релаксационным свойствам суспензии, в случае наличия переходного режима движения имеет место образование мелких флокул, нахождение которых в околосеточной области недопустимо.

Данная структура при наличии флокул и прогрессирующей седиментации порошкообразной составляющей способствует при формовании крупногабаритных изделий получению неравномерной по составу композиционных ингредиентов структуры. Такая структура, как уже указывалось, является причиной резкого снижения функциональных характеристик изделий и способствует порождению нештатных ситуаций при их использовании. Для исправления структурного состояния суспензии в околосеточной области предусмотрена установка турбулизирующей решетки, которая способствует разделению потока на множество мелких струй,что

приводит в конечном счете к интенсивному перемешиванию и к полной диспергации волокнисто-порошковой суспензии.

Условие полной диспергации потока волокнисто-порошковой суспензии в случае применения турбулизирующей решетки определяется выражением:

где V - кинематическая вязкость суспензии, е - удельная энергия турбулентности, 1еа, - длина волокна, / - минимальная величина флокул.

Обеспечивая диспергированный режим движения волокнисто-порошковой суспензии от емкостного аппарата до узла формования, создаются в процессе формования оптимальные условия получения требуемой структуры крупногабаритных изделий.

Для определения фактического структурного состояния волокнистой суспензии различного композиционного состава разработана методика, предусматривающая выполнение следующего комплекса действий, включающего теоретические и экспериментальные исследования :

1. Для заданной рабочей суспензии строится экспериментальная реологическая характеристика с использованием ротационной вискозиметрии.

2. Используя полученную экспериментальную реологическую характеристику, находится её аналитическое выражение.

3. Полученное аналитическое выражение реологической характеристики используется при решении модифицированного уравнения Навъе-Стокса при условии осуществления практического движения потока суспензии в проточном канале относительно одной из координатных осей.

4. В результате решения модифицированного уравнения Навье-Стокса найдено выражение для определения значений линейной скорости потока волокнистой суспензии в сечении перпендикулярном направлению движения.

5. Выполнив подстановку в полученное выражение значения \у]кр„ взятого по реологической характеристике,определяется Утах -максимальная скорость на оси потока волокнистой суспензии, структурное состояние которой гарантировано диспергированное.

6. Данное значение скорости используется для определения критерия

Рр — Г) . Г)

и -причем = " ".

7. При определении в конкретном случае скорости потока волокнистой суспензии, при наличии реологической характеристики, структура которого

имеет диспергированное состояние, используется соотношение 11еТСОр= Кепрает , тогда Ут

Ор

где О - характерный размер проточного канала.

8. Данное выражение для определения скорости используется при оперативном контроле структурного состояния волокнистой суспензии различного композиционного состава в проточной полости в каждом из элементов гидродинамической линии при её транспортировании к узлу формования.Конгроль осуществляется в реальном масштабе времени в условиях многопозиционного съема и накопления информации о изменении гидродинамических характеристик во всех элементах гидродинамической цепи тракта подачи волокнистой суспензии различного композиционного состава

9. В случае появления нештатных ситуаций производства некондиционных изделий при формовании выполняется полный контроль каждого элемента гидродинамической цепи посредством построения эпюр скоростей, форма которых при диспергированном состоянии должна быть в виде квадратичной параболы. В случае обнаружения отклонений, вносятся необходимые коррективы в технологический режим.

Задача получения нитроцеллюлозной суспензии с максимально возможным содержанием основной фракции волокон была решена созданием новой конструкции аппарата, названного гидродинамическим фракционатором (рис.3). Разработка такого фракционатора явилась закономерным итогом выполненного комплекса теоретических и экспериментальных исследований.

Рис. 3 - Гидродинамический фракционатор

Эффективность сепарирующей способности аппарата по отношению к наиболее длинноволокнистой фракции суспензии зависит от величины окружной составляющей V, результирующей скорости потока в проточной полости гидродинамического фракционатора.

Производительность аппарата определяется осевой составляющей Кг результирующей скорости восходящего потока нитроцеллюлозной суспензии.

Сепарирующая способность в цилиндрическом восходящем потоке волокнистой суспензии определяется радиальной составляющей результирующей скорости 7Г и способствует избирательному выделению коротковолокнистой и средневолокнистой фракций.

Для обеспечения приема отфракционированных восходящих потоков в разработанном устройстве предусмотрена конструкция крышки корпуса с системой выпускных патрубков, площади кольцевых пропускных полостей которых, пропорциональны усредненным долевым содержаниям групп фракций в исходной суспензии: Б]: 82: Бз = 2: 1,5: 1 .

Предварительные экспериментальные исследования по фракционированию нитроцеллюлозной суспензии показали, что данный процесс может быть реализован только при выполнении определенного требования.

Суть этого требования состояла в создании гидродинамических условий в проточной полости гидродинамического фракционатора, обеспечивающих минимальные пульсации давления в потоке суспензии. Для обеспечения указанного гидродинамического режима в потоке волокнистой суспензии был создан и затем использован гаситель пульсаций оригинальной конструкции, который позволил достичь степени гашения пульсаций порядка 10-12 раз в диапазоне низких частот амплитудно-частотного спектра до 30 Гц .

Фракционирование было выполнено с получением трех групп фракций:

а) коротковолокнистой - (< 0,1 мм);

б) основной (0,1 - 0,4 мм);

в) длинноволокнистой ( > 0,4 мм).

Коротковолокнистая фракция (до 0,1 мм) направлялась на производство изделий, для которых требования к физико-механическим характеристикам не являются основными, так как при получении продукции не сохраняется волокнистая структура.

Основная фракция (0,1 - 0,4 мм) использовалась для производства изделий с высокими физико-механическими характеристиками.

И наконец, длинноволокнистая фракция (более 0,4 мм) возвращалась в технологический поток на дополнительное измельчение.

Выполненные экспериментальные исследования позволили выяснить динамику изменения составляющих пульсаций давления в потоке волокнистой суспензии в проточной полости гидродинамического фракционатора.

В виду сложности гидродинамической картины, наблюдаемой в проточной полости гидродинамического фракционатора, соотношение составляющих результирующего импульса пульсаций давления в восходящем потоке волокнистой нитроцеллюлозной суспензии не представляется возможным

определить путем теоретических исследований. В данной работе был использован экспериментального характера метод построения эпюр пульсаций давлений, позволивший выяснить динамику изменения составляющих пульсаций давления и определить оптимальное соотношение тангенциальной и радиальной составляющих.

При таком соотношении составляющих пульсаций давления процесс разделения исходной нитроцеллюлозноа волокнистой суспензии в гидродинамическом поле имеет относительно стабильное динамическое состояние, что позволяет эффективно использовать гидродинамический фракционатор для получения основной фракции волокон в требуемом количестве, определяемом технологическим процессом, применяемом на заводах отрасли.

Нитроцеллюлозная суспензия при содержании основной фракции волокон в требуемом количестве создает определенные гарантии достижения необходимых физико-механических показателей при функциональном использовании данного продукта.

Многофункциональный емкостный аппарат используется в линии получения формованием крупногабаритных изделий для выполнения различных операций подготовительного характера.

В условиях отсутствия гидравлических аппаратов, позволяющих качественно и надежно выполнять подготовительные операции переработки волокнистых суспензий был создан специальный аппарат, имеющий форму корпуса и перемешивающий ротор, отличный от существующих конструкций мешалок и реакторов. В качестве перемешивающего органа в аппарате установлен ротор шнекового типа. Пространственное выполнение корпуса ротора представляет собой построение косого геликоида. Применение ротора такого типа позволяет управлять потоком волокнистой суспензии в проточной полости аппарата. В этом случае, характер движения суспензии в проточной полости исключает появление застойных зон, как статического, так и динамического типов.

Этому значительно способствует увеличение степени циркуляции суспензии в проточной полости аппарата. Увеличение степени циркуляции волокнистой суспензии с учетом обязательного требования минимальных энергозатрат стало возможным в процессе совместного конструктивного профилирования корпуса аппарата и пространственной геометрии ротора. Профилирование выполнялось с использованием эпюр скоростей потока волокнистой суспензии, построенных при экспериментальных исследованиях путем замера в контрольных точках составляющих скорости в нескольких сечениях в меридиональной плоскости аппарата.

По результатам анализа эпюр производилось построение изоповерхности, для которой значение модуля векторной функции скорости является величиной постоянной.

V (г) = const,

где Л - радиус-вектор, взятый относительно определенной точки отсчета.

Для векторной линии построенной на меридиональном сечении данной изоповерхности справедливо дифференциальное уравнение в векторной форме: [¿г,к]= 0.

Полученная линия являлась исходной для профилирования остальных корпусных элементов емкостного аппарата.

В третьей главе рассмотрены процессы принудительного формования изделий из волокнистых и волокнисто-порошковых суспензий.

В процессе принудительного формования из волокнистых или волокнисто-порошковых суспензий на сетке при фильтрации образуется влажный осадок (бумажное изделие), а в подсеточном пространстве собирается чистый фильтрат (вода).

Как правило, процесс формования изделия протекает при постоянном давлении (вакууме), причем осадок, образующийся на сетке в зависимости от вида получаемого изделия, считается несжимаемым, но сопротивление его в одном случае пропорционально увеличению его толщины, а в другом - не подчиняется пропорциональной зависимости, то есть сопротивление увеличивается быстрее, чем происходит наращивание толщины осадка.

Скорость фильтрации воды через слой осадка на сетке является основным параметром при теоретическом обосновании технологических процессов принудительного формования изделий из волокнистых и волокнисто-порошковых изделий, а также для принятия конструктивных решений при разработке технологического оборудования.

В качестве исходного аналитического выражения для определения скорости фильтрации при получении не сжимаемых осадков принято уравнение А.Дарси:

У = (12)

¿У

где Н- градиент напора, к- коэффициент пропорциональности.

В отечественной литературе коэффициент к принято называть коэффициентом фильтрации.

Так как изменение градиента давления для тонких осадков на формующей сетке установить достаточно трудно, то градиент обычно представляют отношением конечных величин в виде:

Т'т °3)

где I - толщина осадка на формующей сетке.

Основываясь на результатах анализа способов формования диффузоров из волокнистой суспензии и уделяя должное внимание тенденции технического развития конструирования основного технологического оборудования ряда иностранных фирм (с лидерством японских), была определена перспективность процесса вакуумного формования диффузоров с использованием литьевого стакана.

Указанный способ формования принят основным благодаря наличию следующих положительных свойств:

1. Достаточно надежное поддержание постоянства массы изделия.

2. Практически исключается изменение концентрации исходной волокнистой суспензии в процессе формования изделия.

3. Наличие возможностей создания специальных условий напуска рабочей волокнистой суспензии при формовании, например, гидрозакрутки напускаемого потока для ориентированной укладки волокон при фильтрации.

4. Конструктивно приемлемо компонуется в узле формования диффузоров, например, в автоматах роторного типа.

Принято, что осаждение волокон при формовании происходит равномерным слоем.

Так как фильтрация происходит при постоянном фильтрационном напоре, то изменение концентрации принимается по линейному закону

с = с' + Щ, (14)

где с - концентрация осевшего слоя, с' - концентрация осевшего слоя при естественном осаждении, (3 - коэффициент пропорциональности, определяемый экспериментально, Н - фильтрационный напор.

После начала фильтрации весовое распределение волокон между суспензией и осевшим слоем определяется следующим выражением:

с1 + ф-1) = с0к„ (15)

где с0 - начальная концентрация суспензии, 1 - толщина осевших волокон, Ь - действующий напор, Ь<, -начальный напор суспензии.

Определяем толщину слоя волокон на формующей сетке в процессе фильтрации из выражений (14) и (15):

/= с°{к°-к) (16) с'+Щ-с,

Учитывая, что фильтрация исходной волокнистой суспензии происходит при постоянном фильтрационном напоре с образованием несжимаемого осадка на формующей сетке, уравнение Дарси принято в следующем виде:

(17)

где Уф - скорость фильтрации, к - коэффициент фильтрации, определяемый экспериментально, X - эквивалентная толщина осевшего слоя волокон с потерей напора равного потерям через формующую сетку.

Скорость фильтрации с учетом выражения (16) определяется следующим аналитическим выражением:

кН(с'-с, +рн)

Величина эквивалентного сопротивления формующей сетки определена с использованием методики проф. Ф.П.Товстолеса. Потери напора формующей сетки равны:

у -у Р") ^ (Щ

где Ьс - величина напора, теряемого в сетке, Уф - скорость притока воды к формующей сетке, то есть скорость фильтрации, ф0 - эмпирический коэффициент, зависящий от конструкции формующей сетки, т - показатель степени, определяемый экспериментально.

Показатель степени для сеток, используемых для формования диффузоров, с достаточной степенью точности для выполнения инженерных расчетов принят равным ш = 2.

Выражение (19) с учетом принятого значения коэффициента:

(20)

Используя закон Дарси, выражение (17) преобразовано к виду:

= (21)

Из выражения (14) найдена величина эквивалентного сопротивления Я.:

1 = К(Р°уф (22)

Окончательно скорость фильтрации с учетом зависимости (22) определена выражением:

Ш(с'-с„ + рн) ' к<реУЛс'-са+Щ)+сХК-И)

= Г :,Л Л л (23)

Итак, зависимость (23) является аналитическим выражением, определяющим мгновенную скорость фильтрации при формовании диффузоров.

При формовании диффузоров используется формующая головка, имеющая подсетник с отверстиями для отвода фильтрата при формовании.

Для получения при формовании диффузора с переменной толщиной по высоте производится соответствующее распределение фильтрующей способности подсетника путем регулирования его пропускной способности.

Суммарное количество отверстий подсетника должно обеспечить следующее:

а) заданное распределение толщин корпуса диффузора по его образующей;

б) требуемую структуру диффузора для получения нормативных акустических характеристик;

в) необходимую производительность узла формования в соответствии с технологическим режимом его эксплуатации.

Для получения максимальной производительности узла формования необходимо максимальное сокращение времени формования диффузора. Время формования диффузора определяется следующим аналитическим выражением:

-Л)-с] (24)

Диффузоры, отформованные со временем цикла, определяемым по выражению (24), обладают низкими электроакустическим характеристиками. Причиной этого была структура диффузора , преимущественное число волокон которой, имело расположение по нормали к поверхности корпуса изделия.

Для получения необходимой структуры, обеспечивающей требуемые значения электроакустических характеристик, принято условие, что мгновенная скорость фильтрации изменяется согласно следующему аналитическому выражению:

УФ (25)

(Уср ф.) . ,

где ср ф-' - средняя скорость фильтрации, - время формования диффузора, I - текущее время фильтрации.

Из выражения (25) следует, что при отношении 1 = , наблюдается

равенство скоростей Уф - Усрф, а величина слоя осевших волокон при формовании составляет половину конечной толщины осадка на формующей сетке:

Средняя скорость формования с учетом выражения (20) определяется зависимостью:

V 2кН(с- + рН-с0)

срФ 2 Ар„К„ДС' + /И-0+с.(й.-Л) к }

Произведя необходимые преобразования, было получено неприведенное квадратное уравнение вида:'

(28)

где

А = 2 кф0(с' + (ЗН-с0); В =сЛ;

С =2кЬ(с' + рН-с0). Корнями уравнения (29) являются:

(у \ - ~°°К±+ + РН~С°У

1 4к<р0(с'+№-с0)

(29)

Анализ выражения (29) позволяет сделать вывод, что для решения

поставленной задачи действительным корнем будет так как скорость

формования зависит от сопротивления формующей сетки.

Используя выражение (29), являющееся определяющим для теоретического обоснования технологического процесса формования и конструктивного

решения узла формования, реально становится разрешимой задача определения суммарной площади отверстий подсетника формующей головки для производства диффузоров.

Объем воды в процессе формования, проникающий в подсеточное пространство, определяется аналитическим выражением:

Уф =(1 + сЙ-У2+Г3 (30)

где а - коэффициент, учитывающий промой волокна, - объем исходной волокнистой рабочей суспензии, У2 - объем воды, содержащийся в сырой отливке диффузора, У3 - объем волокнистой суспензии, необходимый для формования днища диффузора, удаляемого при последующих операциях.

В свою очередь, объем фильтрата с учетом фильтрующей пропускной поверхности определяется выражением:

Уф=КР.ф/ф( (31)

где Р - фильтрующая поверхность, 1 - время формования.

Площадь фильтрующей поверхности, то есть суммарная площадь отверстий в подсетнике формующей головки, из выражения (31):

(32)

<р4

или в окончательном виде с учетом выражений (30) и (24): Д = .... -. -=(33)

-Ли, -ь2)-сЛ(К

При "свободной" фильтрации в процессе формования диффузора без дополнительного воздействия на напускаемый поток суспензии происходит флокуляция, особенно прогрессирующая в околосеточной области, то есть наблюдается послойное осаждение волокон, что приводит к невозможности получения структуры диффузора с равномерным расположением волокон.

Для улучшения структуры диффузора, а следовательно, и повышения акустических свойств используются следующие меры:

1. Увеличение скорости фильтрации при локальном отводе фильтрата, то есть используется эффект "зонного" расположения отверстий.

Аналитически это реализуется путем введения в выражение фильтрующей поверхности (32) корректирующего коэффициента пропорциональности е, а именно:

(34)

Величина коэффициента г определяется экспериментальным путем. Пределы изменения е = 1,15-1,40, причем: а) для диффузоров массой менее Зге

= 1,15; б) для диффузоров массой (3-5) г б =1,20; в) для диффузоров массой (510) г е =1,30; г) для диффузоров массой более 10 г е=1,40.

2. Создание условий, препятствующих флокулообразованию в напускаемом потоке суспензии. В качестве одного из вариантов реализации этого условия использована гидродинамическая закрутка потока, вводимого через тангенциально установленные патрубки в корпусе литьевого стакана.

Для аналитического описания процесса гидродинамической закрутки выполнены следующие операции.

По реологической кривой волокнистой суспензии определена величина

критического градиента сдвига [г]кр, при достижении которого наступает турбулентный характер движения волокнистой суспензии.

Линейная скорость движения суспензии во входном тангенциальном патрубке определена по выражению:

\fl-d

и ■■

(35)

Необходимый выражением:

диаметр тангенциального патрубка определяется

\г1Р-рф

(36)

С учетом выражений (30) и (24) диаметр тангенциально установленного патрубка в литьевом стакане определяется выражением:

г^+^у.-у.+уз]

(¡=-

1

кНс,

(37)

Определив из выражения (37) диаметр входного тангенциального патрубка, величина напора, обеспечивающего подачу рабочей суспензии в 1испергированном состоянии равна:

(1 + «)У,-Уг+У3

1

кНс,

до)

Для получения необходимой структуры воротника и подвеса диффузора 5ыла разработана оригинальная конструкция формующей головки с ;вухсекционным подсеточным пространством.

Для определения технологических параметров данной формующей головки предварительно был выполнен расчет суммарной площади фильтрующих отверстий в области подвеса Затем найдена средняя скорость фильтрации в зоне подвеса по выражению;

Крф. - г,„Г*, (39)

Л*»

где I - время формования диффузора, - объем волокнистой суспензии, необходимый для формования подвеса.

Определение величины вакуума в дополнительной подсеточной камере для формования подвеса выполнено по аналитическому выражению:

(40)

2 к

Для получения требуемого изменения толщины диффузора по образующей была разработана методика, предусматривающая предварительную разбивку корпуса диффузора на элементарные объемы с последующим расчетом их масс.

По полученным значениям масс элементарных объемов выполнен расчет соответствующих элементарных объемов исходной волокнистой суспензии в соответствии со следующей аналитической зависимостью:

У = (41)

м

Затем использовано аналитическое выражение фильтрационной площади на ^том подуровне:

Кр.ф/

(42)

Общая фильтрующая поверхность является совокупностью элементарных фильтрационных поверхностей в соответствии с выражением:

(43)

Получив фильтрующую поверхность на каждом подуровне подсетника формующей головки и выбрав конструктивно определенный диаметр фильтрующих отверстий, определяется количество отверстий на каждом подуровне подсетника по выражению:

Таким образом, используя аналитические выражения, определяющие взаимосвязь процесса зонной фильтрации волокнистой суспензии с закономерностью распределения толщин по образующей диффузора, становится разрешимой задача получения заданных электроакустических характеристик громкоговорителей.

(44)

Процесс принудительного формования крупногабаритных изделий. Формование крупногабаритных изделий производится из волокнисто-порошковых суспензий посредством фильтрации через формующую сетку при непрерывной подаче дозируемого ее количества в течение всего цикла формования изделия. Получение крупногабаритных изделий производилось также принудительным формованием, так как подача волокнисто-порошковой суспензии осуществлялась сжатым воздухом по тракту подачи из мерника в узел формования.

Толщина слоя осадка, образующегося на формующей сетке, зависит от скорости фильтрации, продолжительности формования и концентрации исходной волокнисто-порошковой суспензии:

1 = £(У4,с,0 (45)

Образующийся на формующей сетке осадок обладает в отличие от исходной волокнисто-порошковой суспензии свойствами, не характерными для жидких сред: пластичностью, пористостью, упругостью и др.

В процессе фильтрации постоянство пористости осадка по всей толщине нарушается, осадок уплотняется, а значит изменяется взаимозависящий от пористости коэффициент фильтрации.

По этой причине применение для аналитического описания по аналогии с формованием диффузора закон Дарси не представилось возможным.

Использовать для аналитического описания процесса формования крупногабаритных изделий уравнений фильтрации Гагена-Пуазейля, Козени-Кармана также нет достаточных оснований ввиду неубедительной аргументации их авторов в части достоверности исходных положений, используемых в виде постулатов при выводе данных аналитических выражений.

При отсутствии теоретических работ, выполненных по исследованию фильтрации волокнисто-порошковых суспензий с образованием сжимаемых осадков при непрерывной подаче напускаемого потока в процессе формования, были использованы результаты экспериментальных исследований по фильтрации волокнистых суспензий, выполненных группой научных сотрудников ЛПИ под руководством проф. И.ДКугушева. Ими было установлено, что при усадке слоя на формующей сетке под действием фильтрационного напора существует линейная зависимость между величиной деформации и величиной действующего напора.

Текущие значения толщины слоя определяются следующим аналитическим выражением:

1 = 10 е "аН (46)

где 10 - величина слоя, осевшего под действием сил тяжести, а -коэффициент пропорциональности, определяемый эмпирическим путем, Н -действующий фильтрационный напор.

Коэффициент фильтрации, зависящий от степени деформации увеличивающегося по толщине осадка на формующей сетке, в начальный момент фильтрации интенсивно уменьшается, а затем с какого-то значения

происходит его стабилизация и величина изменяется незначительно. Аналитически изменение коэффициента фильтрации можно представить в виде следующей экспоненциальной зависимости:

к = к0е^н (47)

Так как коэффициент фильтрации является интегральной характеристикой фильтрационных свойств волокнисто-порошковой суспензии, то и скорость фильтрации будет изменяться по экспоненциальному закону:

У = У0(1-е"™), (48)

где У0 - .скорость фильтрации, соответствующая предельному состоянию деформации слоя на формующей сетке, ¥ - коэффициент пропорциональности.

Выполнив подстановку выражений (46) и (47) в уравнение (48), получим :

К = (49)

Данное уравнение, названное по именам создателей исходных аналитических зависимостей, Дарси-Кугушева является модификацией классического уравнения (12) для суспензий, которые образуют сжимаемые деформируемые осадки на формующей сетке в процессе фильтрации.

Максимально возможная скорость фильтрации определяется зависимостью:

Г« (50)

е 10ст

Где: (а-у) = -<т. (51)

Величина предельного значения фильтрационного напора находится из выражения:

Н = - (52)

<Х

При компрессионном формовании крупногабаритных изделий правомерно использование аналитического выражения (49) Дарси-Кугушева для определения скорости фильтрации суспензий, образующих на формующей сетке сжимаемые осадки.

Используя данное выражение, становится возможным определение оптимальной скорости фильтрации, обеспечивающей максимальную производительность оборудования для производства крупногабаритных изделий.

Для нахождения оптимальной скорости фильтрации согласно выражению (49) предварительно производится определение величины предельного значения напора при формовании(52).

Под воздействием этого напора обеспечивается получение на формующей сетке осадка с одинаковой степенью деформации по всей его толщине.

Необходимо отметить, что величина общего напора, используемого для подачи рабочей суспензии,кроме напора, определяющего получение на формующей ¿етке осадка с одинаковой степенью деформации, должна учитывать дополнительно потери напора для преодоления сопротивления всех комплектующих гидравлических элементов тракта подачи.

В четвертой главе приведено обоснование выбора и описание экспериментальных установок, позволивших выполнить необходимый комплекс экспериментальных исследований, результаты которых были использованы для сопоставления с теоретическими данными с целью выяснения их адекватности при решении задач, определенных в данной работе в качестве исходных.

Для определения реологических характеристик волокнистых и волокнисто-порошковых суспензий был использован ротационный вискозиметр С-ПТУ РП.

%Та

7 6 5

3

г ✓

440 900 300 с'

1- Реологическая кривая волокнистой суспензии (концентрация 0,1%; градус помола 210 ШР); 2- Реологическая кривая волокнистой нитроцеллюлозной суспензии (концентрация 0,7%;

степень измельчения 28%); 3- Реологическая кривая волокнисто-порошковой суспензии (концентрация 0,7%; градус помола 500 ШР). Рис.4 Реологические экспериментальные характеристики рабочих суспензий.

Экспериментальная реологическая характеристика предусматривает юстроение функции:

T=ffr)i (53)

где т - касательное напряжение трения между соседними слоями :успензии;

у-градиент скорости. Касательное напряжение и градиент скорости определяются следующими ¡ыражениями:

м

(55)

К-л„

где М - измеряемый момент;

L - высота цилиндра;

RH - внутренний радиус наружного цилиндра;

RBH - наружный радиус внутреннего цилиндра;

RcP= - среднии радиус.

Используя разработанную программу на ЭВМ, по экспериментальным реологическим кривым определены аналитические зависимости для волокнистой нитроцеллюлозной, волокнисто-порошковой и волокнистой суспензий.

Для волокнистой нитроцеллюлозной суспензии аналитическое выраженние имеет следующий вид:

г = ¡7е"°'028' +0,111^. (56)

Для волокнисто-порошковой суспензии получено аналитическое выражение касательного напряжения:

г = 65е~М33'' -ЗОе^-Юе41'06" +0,123f. (57)

Аналитическое выражение касательного напряжения для волокнистой целлюлозной суспензии имеет следующий вид:

т = 0Д39е"°-22',?г -0,139e-°w +0,088/. (58)

Данные аналитические выражения использованы при определении скорости потока по модифицированному уравнению Навье-Стокса для волокнистых суспензий различного композиционного состава.

Далее выполнено обоснование выбора и технических возможностей гидродинамического стенда, позволившего произвести следующие экспериментальные исследования:

а) выполнить исследования гидродинамического фракционирования волокнистой суспензии;

б) произвести измерения гидродинамических характеристик в каналах, воспроизводящих конфигурацию элементов проточных полостей аппаратов (рис.5).

1- бассейн; 2- массный насос; 3- устройство для гашения пульсаций; 4- гидродинамический фракционатор; 5-секция приемных бачков; 5'- приемный бачок; б- коллектор; 6'- задвижка; 7- напорный бак; 7 - задвижка; 8-вставная секция; 9- измерительный щит; 10- измерительно-вычислительный комплекс

Рис.5-Гидродинамический стенд

Дано описание пилотной установки, воспроизводящей условия работы аппаратов, входящих в компоновку технологической линии по производству крупногабаритных изделий (рис.6).

подачи; 6-диффузор; 7- турбулизирующая доска; 8, 9, 10,11-запорная арматура

Рис. 6. - Технологическая линия формования крупногабаритных изделий

Используя данную установку были выполнены экспериментальные исследования по формованию крупногабаритных изделий. Композиционный состав волокнисто-порошковой суспензии использовался следующий: 50% волокнистых и 50% порошкообразных ингредиентов. Рабочая суспензия имела следующие концентрации: 0,7%; 1,3%; 1,5%. Градус помола композиционных волокнистых составляющих определялся значениями: 31, 42, 50, 62 °ШР. Формование крупногабаритных изделий производилось при давлении сжатого воздуха 0,1; 0,2; 0,3; 0,4 МПа.

В процессе выполнения экспериментальных исследований нормируемые параметры принимались следующие: 1 - толщина корпуса 7,5±0,5мм; 2 - время формования 35±1с; 3 - масса изделия 135±5г.

Приведено описание лабораторных установок для выполнения экспериментальных исследований по формованию диффузоров электродинамических громкоговорителей.

При выполнении экспериментальных исследований были использованы следующие лабораторные установки: 1 - установка для формования диффузоров с применением литьевого стакана; 2 - установка для формования диффузоров с концентрической укладкой волокон в структуре изделия; 3 установка для формования диффузоров с формующей головкой секционированного подсеточного пространства. Для экспериментальных исследований использовалась волокнистая суспензия 100%СФИ, концентрация 0,1-0,15%, величина вакуума 0,02; 0,04; 0,06; 0,08 МПа. Нормируемые параметры при контроле диффузоров были использованы следующие: а - неравномерность частотной характеристики (основной), б - частота механического резонанса (дополнительный), в - звуковое давление (вспомогательный).

Описаны методики контроля основных параметров крупногабаритных изделий и электроакустических характеристик электродинамических громкоговорителей. Показана система операционного контроля диффузоров по измерению толщины относительно образующей корпуса изделия, а также на жесткость и добротность. Приведена характеристика измерительно-вычислительного комплекса по многопозиционному съему значений гидродинамических характеристик, накопленшо, хранению и необходимой их обработке с применением соответствующих комплектующих на базе современного персонального компьютера.

Пятая глава содержит анализ опытных данных, полученных в ходе выполнения экспериментальных исследований, подтверждающих теоретические выводы и рекомендации по основным направлениям исследований настоящей работы.

Используя гидродинамический фракционатор для получения определенного числа фракций по длине волокон, давление потока рабочей суспензии при входе в аппарат должно быть в пределах 0,1 МПа (рис.7)

Дабле,ние1 МПа

Рис. 7 - Зависимость предела прочности продукта от давления нитроцеллюлозной суспензии

при фракционировании.

При меньших значениях давления суспензии режим работы аппарата становится неустойчивым, при больших значениях - значительно уменьшается доля основной фракции, что незамедлительно снижает механическую прочность отформованных из неё образцов.

Скорость потока рабочей нитроцеллюлозной суспензии при указанном давлении на входе в гидродинамический фракционатор составляла 1,0-1,15 м/с. Концентрация нитроцеллюлозной суспензии должна при фракционировании находится в пределах 0,7-1,0%, так как только при таких концентрациях рабочей суспензии (рис.8) и необходимой скорости суспензии на входе в аппарат имеет место оптимальное сочетание тангенциальной и радиальной составляющих пульсаций давления в проточной полости фракционатора.

Анализ распределения пульсаций давления в проточной полости фракционатора в восходящем потоке нитроцеллюлозной суспензии на входе в выпускные патрубки крышки аппарата в условиях поддержания указанных технологических параметров показал, что оптимальным отношением тангенциальной и радиальной составляющих пульсаций давления является при их равенстве близкое к единице.

При гидродинамическом фракционировании, осуществляя в оптимальном режиме поддержание значений входных технологических параметров (концентрация суспензии, градус помола, давление потока суспензии), подавляя низкочастотные пульсации давления, создавая требуемую гидродинамическую картину движения потоков суспензии в проточной полости аппарата, становится возможным получение в нитроцеллюлозной суспензии содержание основной фракции превышающее 80°/о.

Суспензия с таким фракционным составом является требуемым полуфабрикатом для получения изделий с заданными функциональными характеристиками.

/щ ■ I I _

0,2 «5 0,6 О? 0,8 09 * <("

С (концентрачъя^ %

- Зависимость предела прочности от концентрации нитроцеллюлозной суспензии при

фракционировании

Фракционирование было выполнено с получением трех групп фракций:

а) коротковолокнистой - (< 0,1 мм);

б) основной (0,1 - 0,4 мм);

в) длинноволокнистой (> 0,4 мм).

Коротковолокнисгая фракция (до 0,1 мм) направлялась на производство изделий, для которых требования к физико-механическим характеристикам не являются основными, так как при получении продукции не сохраняется волокнистая структура.

Основная фракция (0,1 - 0,4 мм) использовалась для производства изделий с высокими физико-механическими характеристиками.

И наконец, длинноволокнистая фракция (более 0,4 мм) возвращалась в технологический поток на дополнительное измельчение.

Реализуя теоретические рекомендации по гидродинамике волокнисто-порошковых суспензий в линии формования крупногабаритных изделий, получая при этом рабочую суспензию в диспергированном состоянии, исключая седиментацию порошкообразного ингредиента, была решена задача получения изделий с заданным распределением толщин и требуемой структурой, что подтвердили результаты последующих испытаний изделий.

Оптимальный режим поддержания технологических параметров при формовании кондиционных крупногабаритных изделий включает следующие значения: концентрация волокнисто-порошковой суспензии-1%, градус помола -50°ШР.

Используя теоретические положения для разработки новых способов и устройств для формования диффузоров и результаты экспериментальных исследований, определены оптимальные режимы производства изделий. Так, с использованием литьевого стакана с гидродинамической закруткой потока оптимальный режим следующий: 1. Концентрация исходной волокнистой суспензии - 0,1%. 2. Градус помола волокнистой суспензии - 20 24°ШР. 3. Величина вакуума при формовании - (0,4 н- 0,6)'10"1 МПа.

Анализируя полученные результаты электроакустических характеристик диффузоров с различной ориентацией волокон в структуре, приходим к следующим результатам:

1. Оптимальной следует считать преимущественную ориентацию волокон по концентрическим окружностям.

2. Оптимальные значения входных технологических параметров - градус помола - 20°ШР; величина вакуума - (4 - 6) ТО"2 МПа.

3. Концентрация исходной рабочей волокнистой суспензии составляет 0,1 %

Для производства громкоговорителей с доброкачественным воспроизведением низких частот с использованием новой двухсекционной формующей головки оптимальный режим формования определен следующий:

Концентрация исходной рабочей волокнистой суспензии, используемой для формования, составляла 0,1%.

Частота механического резонанса громкоговорителей, зависящая прямо пропорционально от аналогичного показателя диффузоров, удовлетворяет нормативному значению только при градусе помола 20°ШР, причем самые низкие показатели ^(105-110) Гц получены при формовании диффузоров с величиной вакуума (4-6)-10"2 МПа.

Теоретические выкладки по распределению толщин диффузоров в соответствии с рекомендациями, базирующимся на распределении узловых линий при колебаниях мембран и учитывающих массы элементарных зон диффузоров, позволяют с условием дифференциального подхода выполнить изготовление диффузоров с требуемым распределением толщин по образующей.

Практические рекомендации по методике распределения толщин будут зависеть от особенностей функционального использования конкретного типа диффузора: а) в области низких частот; б) в области средних частот; в) для воспроизводства высоких частот звукового диапазона.

Анализируя привлеченные для операционного контроля диффузоров характеристики, такие как жесткость, добротность и ультразвуковую анизотропометрию, приходим к следующим выводам.

Такой показатель, как добротность можно использовать для оперативного контроля диффузоров в процессе их изготовления для подтверждения их кондиционности в условиях массового производства

Следует указать, что лучшими электроакустическими характеристиками обладают громкоговорители, диффузоры которых имеют структуру с ориентацией волокон по концентрическим окружностям. Такие диффузоры производят при следующих значениях технологических параметров: концентрация с = 0,1%; величина вакуума (4-6)Т0"2 МПа и градусе помола 21°ШР. Для диффузоров с подобной структурой значение добротности не должно превышать значение 45 (рис.9).

Превышение значения добротности диффузора в большую сторону от оптимального указывает на отклонение ориентации волокон от преимущественного направления по концентрическим окружностям. Причиной подобного нарушения является отклонение гидродинамических характеристик подаваемой на формование рабочей волокнистой суспензии.

Г

й?

¿5 "ШР

Рис9,- Изменение резонансной частоты и добротности диффузора в зависимости от градуса помола и величины вакуума (формование с гидрозакруткой волокнистой суспензии) (о - 8*10'2 МПа; А - 6*1 (Г2 МПа; • - 4*102 МПа; о - 2*1(Г2 МПа;)

Получение меньших значений добротности но сравнению с оптимальным вызывается отклонением от заданных технологических параметров (концентрации, величины вакуума и градуса помола).

Данный показатель интегрального адеструктивного характера рекомендуется использовать при настройке или отладке вновь устанавливаемого или вводимого в строй после ремонта технологического оборудования для формования диффузоров в случае обнаружения отклонений от нормируемых значений электроакустических характеристик.

Жесткость и ультразвуковая анизогропометрия должны использоваться предпочтительно для отладки технологических режимов при запуске новых видов продукции или в случаях обнаружения нештатных ситуаций при выпуске бракованных изделий.

<■30

/го

(,40

I

Р.ОС

Ор

\

N 1

* \ 1

ч N. N

V ч 1 N

ч \ 1 V ч*

N V ч

ч Ч

\

ч

/О ¿О 30 40

градус помела,

ШР

Рис.10. - Зависимость стрелы прогиба от градуса помола при вакууме: 1 - 0,8*10'' МПа; 2 -0,6*Ш' МПа; 3 - 0,4*10'ГМПа; 4-0,2*1(Г' МПа

В этой связи для способа формования диффузоров с использованием литьевого стакана при оптимальных значениях входных технологических параметров {концентрация с=0,1%; величина вакуума (4-6)-10 2 МПа и градус помола 21°ШР} соответствующие значения физико-механических характеристик являются:

а) степень прогиба образцов {= (0,67 - 0,76) см;

б) жесткость при изгибе Е1 = (6,22 - 5,49)' 10"4 МПа;

в) модуль упругости Е = (2,39 - 2,1 !)• 102 МПа

го

435

<5

»

4Л>

о. 4

л. *

5 ЛЗ 30 ¿5 30 35 Чо 45

2ра дус помола, °ШО

Puc.ll- Зависимость модуля упругости от градуса помола при вакууме: 1 - 0, 0,6*1(Г' МПа; 3-0,4*1 СГ МПа; 4-0,2*¡(Г1 МПа

0,8*10'' МПа; 2 -

6,с

&

Л

Ё

>>•

■М-

*

5

V-

РВ-0

45 го № 10 35 чи «

Градус помола "ШР

Рис. 12.- Зависимость жесткости полотна диффузора от градуса помола при вакууме: 1 - 0,8* Ш1 МПа; 2 - 0,6*10Г' МПа; 3 - 0,4*КГ' МПа; 4 - 0,2*10МПа

Для способа формования с гидрозакруткой потока волокнистой суспензии значения физико-механических характеристик рекомендуются следующие:

а) степень прогиба образцов Г =( 1,1 -1,2) см;

б) жесткость при изгибе Е1 = (3,85 - 3,45)-104 МПа;

в) модуль упругости Е = (1,45 - 1,30)-102 МПа.

Посредством использования для операционного контроля таких характеристик адеструктивного характера, как жесткость и добротность, созданы условия получения информации оперативного характера о состоянии структуры производимых на конвейере изделий. В случае необходимости вносить необходимые коррективы в технологический режим подготовки рабочей суспензии и процесса формования диффузоров.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1.Разработаны физическая и реологическая модели, характеризующие структурные превращения в волокнисто-порошковых суспензиях на различных этапах изменения характера движения в трактах подачи и в проточных полостях гидравлических аппаратов. Для создания реологической характеристики выполнено построение физической модели, адекватно отражающей структурные процессы, происходящие в волокнисто-порошковой суспензии от начального состояния покоя до достижения скоростей, обеспечивающих турбулентный характер движения. Так как при турбулентном характере движения сопротивление меньше, чем для чистой воды, то рекомендуется реализация следующих гидродинамических режимов волокнисто-порошковой суспензии: а) переходный характер движения при транспортировке в тракте подачи с последующей турбулизацией в околосеточной области (при длинных технологических трактах подачи); б) турбулентный характер движения подаваемой рабочей суспензии из тракта подачи непосредственно в зону формования изделия(при коротких трактах подачи).

2.На основании предложенной реологической модели создана общая теория оценки состояния волокнисто-порошковой суспензии в реальном масштабе времени в условиях многопозиционного съема и накопления информации изменения гидродинамических характеристик во всех элементах гидродинамической цепи тракта подачи до напуска рабочей суспензии на сетку формующего устройства. В системе, включающей оборудование для подготовки, подачи и напуска рабочей волокнисто-порошковой суспензии, предусмотрены условия движения, способствующие полной диспергации потока и исключению • процесса седиментации порошковой композиционной составляющей, то есть значение критерия Рейнольдса превышает критическое значение- 11ем >[Лем]кр.

3..Созданы теоретические основы профилирования поверхности рабочих полостей гидравлических аппаратов с учетом минимальных потерь на сопротивление движению волокнистой суспензии при условии поэлементного соединения их в замкнутую рабочую гидравлическую цепь. Максимальным увеличением степени циркуляции суспензии в проточной полости емкостного аппарата обеспечивалось исключение вероятности появления застойных зон как стационарного, так и динамического типа. Выполнение этого условия при одновременном требовании минимальных энергозатрат реализовалось конструктивно путем совместного профилирования корпуса аппарата и пространственной геометрии ротора. Используя полученные экспериментальные

данные, выполнялось построение эпюр скоростей для определенных сечений по высоте емкостного аппарата с последующим построением изоповерхности по выбранному модулю осевой составляющей абсолютной скорости потока суспензии в меридиональной плоскости аппарата. Полученная линия являлась исходной для профилирования остальных корпусных элементов емкостного аппарата.

4.Установлены закономерности процесса фракционирования волокнистых суспензий в гидродинамическом центробежном поле с получением фракций различных по длине волокон. В потоке волокнистой суспензии разделение волокон при воздействии центробежных сил возможно при определенном соотношении радиальной V,и тангенциальной ^составляющих абсолютной скорости. Оптимальное соотношение радиальной и тангенциальной составляющих определено экспериментально при скорости потока на входе в гидродинамический фракционатор 1,0 - 1,15 м/с, давлении волокнистой нитроцеллюлозной суспензии на входе во фракционатор р=0,1 МПа при исходной рабочей концентрации с=0,7%. Фракционирование производилось на три группы фракций: а) коротковолокнистую - (< 0,1 мм);б) основную (ОД - 0,4 мм);в) длинноволокнистую ( > 0,4 мм). Для фракционирования в разработанном устройстве предусмотрена конструкция крышки корпуса с системой выпускных патрубков, площади кольцевых пропускных полостей которых, пропорциональны усредненным долевым содержанием групп фракций в исходной суспензии: Бь 82: Бз = 2: 1,5: 1. При наличии гидрофобности нитроцелшолозных волокон, а также при незначительной разнице волокон по длине исключение локальных возмущений в потоке волокнистой суспензии при фракционировании достигалось максимально возможным подавлением пульсаций давлений. Для этого использовался гаситель пульсаций оригинальной конструкции, который позволил достичь степени гашения пульсаций порядка 1012 раз в диапазоне низких частот амплитудно-частотного спектра до 30 Гц, что обеспечивало возможность практической реализации гидродинамического фракционирования нитроцеллюлозной суспензии.

5.Разработаны теоретические основы процесса формования изделий из волокнисто-порошковой суспензии посредством фильтрации непрерывно подаваемого порционного количества рабочей суспензии через формующую сетку. Отмечено, что постоянство пористости осадка по толщине в процессе фильтрации волокнисто-порошковой суспензии нарушается, осадок уплотняется и изменяются его фильтрующие свойства, причем относительная деформация слоя находится в линейной зависимости от приращения фильтрационного напора. При компрессионном формовании крупногабаритных изделий использовано аналитическое выражение Дарси-Кугушева для волокнисто-порошковых суспензий, образующих на формующей сетке сжимаемые осадки. Для определения оптимальной скорости фильтрации предварительно производилось определение величины предельного напора при формовании, при котором происходило образование на формующей сетке осадка с одинаковой степенью уплотнения по толщине; по расчетам величина фильтрационного напора находится в пределах 0,18-0,20 МПа. Использование аналитического

выражения Дарси-Кугушева позволило определить оптимальную скорость фильтрации, обеспечивающую максимальную производительность технологического оборудования для производства крупногабаритных изделий.

6.Установлены закономерности процессов формования диффузоров электродинамических громкоговорителей из волокнистых суспензий, структура которых обеспечила получение заданных значений электроакустических характеристик. Для производства качественных диффузоров в процессе формования создавались условия, препятствующие флокулообразованию посредством гидродинамической закрутки потока волокнистой суспензии, вводимой в корпус литьевого стакана через тангенциально установленные патрубки. Гидравлическая закрутка потока позволила обеспечитыа) требуемый характер движения рабочей волокнистой суспензии, структура которой при этом имела диспергированное состояние; б) условия преимущественной ориентации волокон во вращающемся потоке по концентрическим окружностям. Для обеспечения гидродинамической закрутки потока волокнистой суспензии определялись: а) величина критического градиента сдвига [/]кр по реологической кривой волокнистой суспензии; б) диаметр входных тангенциальных патрубков; в) величина напора, обеспечивающего подачу суспензии в диспергированном состоянии.

7.Созданы теоретические основы методики получения корпусов диффузоров с заданной переменной толщиной от основания конуса до гофрированного воротника в процессе их формования из волокнистых суспензий. Используя закон акустики о трансформации энергии вынужденных колебаний диффузора в энергию колебания окружающей среды, получены массы элементарных излучающих частей корпуса диффузора, по которым затем рассчитаны элементарные объемы исходной рабочей волокнистой суспензии, необходимые для их производства в процессе формования. И наконец, определив элементарные пропускные площади отверстий на каждом подуровне и приняв конструктивно их диаметр, получены искомые количества отверстий на каждом подуровне подсетника формующей головки. Использование разработанной методики позволило решить задачу получения диффузоров с требуемым изменением толщин, что исключило вероятность появления брака по этому конструктивному признаку при формовании изделий.

. 8,Разработаны методики инженерных гидродинамических расчетов: узла формования крупногабаритных изделий при непрерывной подаче волокнисто-порошковой суспензии, аппарата для гидродинамического фракционирования волокнистых суспензий и установок вакуумного формования диффузоров с секционной формующей головкой и с гидрозакруткой суспензии, подаваемой на формование.

Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в

следующих публикациях:

1 Руденко А.П., Головко В.Е., Кугушев И.Д., Терентьев O.A. Отлив бумажного полотна с определенной ориентацией волокон // Тез. докладов Всесоюзной конференции, посвященной вопросам технологии ЦБП. - JL: ЛТИ ЦЕП, 1973.-с.З.

2 Барановский В.П., Агеев А .Я., Кугушев И.Д., Руденко А.П., Оптимальная продолжительность процесса формования и обезвоживания массы // ВНИПИЭНЛеспром, реф. изд. № 18,1972 - с 9-10.

3 A.c. 391212 СССР. Устройство для отлива диффузоров / И.Д. Кугушев, O.A. Терентьев, А.П. Руденко, В.Е. Головко (СССР). - 4с.: ил.

4 A.c. 455184 СССР. Устройство для отлива диффузоров / И.Д. Кугушев, O.A. Терентьев, А.П. Руденко, В.Е. Головко (СССР). - Зс.: ил.

5 A.c. 469792 СССР. Устройство для отлива диффузоров / И.Д. Кугушев, O.A. Терентьев, А.П. Руденко, В.Е. Головко (СССР). - Зс.: ил.

6 A.c. 477212 СССР. Устройство для отлива диффузоров / И.Д. Кугушев, O.A. Терентьев, А.П. Руденко, В.Е. Головко (СССР). - Зс.: ил.

7 Руденко А.П., Кугушев И.Д., Терентьев O.A., Барановский В.П. К расчету отливных головок для производства диффузоров И Машины и оборудование ЦБП: Сб. науч. тр. - ЛТИ ЦБП - Л.: ЛТИ ЦБП, 1974-вып. 1- с.18-19.

8 Руденко А.П., Кугушев И.Д., Терентьев O.A., Самолюбов A.M. / ВНИПИЭМЛеспром: Целлюлоза, бумага, картон, реф. изд. №15, 1974.-c.8-9.

9 A.c. 494483 СССР. Устройство для отлива изделий из волокнистых суспензий / A.B. Александров, И.Д. Кугушев, А.П. Руденко, O.A. Терентьев (СССР). -Зс.: ил.

10 A.c. 485189 СССР. Устройство для отлива диффузоров / И.Д. Кугушев, O.A. Терентьев, А.П. Руденко, В.Е. Головко (СССР). - Зс. : ил.

11 Руденко А.П., Кугушев И.Д., Терентьев O.A. Исследование процессов вакуумного формования диффузоров громкоговорителей // Теоретические и прикладные исследования процессов ЦБП: тез. докл. Всесоюзная конференция. - Л.: ВНИИБ, 1974 -с.82-83.

12 A.c. 500320 СССР. Устройство для отлива диффузоров головок прямого излучения / A.B. Александров, И.Д. Кугушев, А.П. Руденко, O.A. Терентьев (СССР). - 4с. : ил.

13 Руденко А.П., Головко В.Е., Кугушев И.Д., Терентьев O.A. Отлив бумажного полотна с определенной ориентацией ворлокон // Материалы науч.-техн. конф. ЛТИЦБП, -Л., 1974. - вып.2.- с. 43-44.

14 A.c. 512261 СССР. Устройство для отлива диффузоров / И.Д. Кугушев, O.A. Терентьев, А.П. Руденко, В.Е. Головко (СССР). - Зс.: ил.

15 Руденко А.П. Улучшение напуска волокнистой суспензии при отливе бумажных диффузоров // Науч.-техн. сб. Химия и технология полимеров -СибТИ, Красноярск: СибТИ, 1975. - вып. 4,- с. 89-94.

16 Руденко А.П., Александров A.B. Влияние степени ориентации волокон в бумажном диффузоре громкоговорителя на акустические характеристики // Межвуз. сб. науч. тр. - ЛТИ ЦБП, Ленинград, 1975. - вып.З.- с. 98-99.

17 Руденко А.П., Александров A.B. Определение оптимального режима при отливе диффузоров // Межвуз. сб. науч. тр. - ЛТИ ЦБП, Ленинград, 1975. -вып.З-с. 100-102..

18 Руденко А.П., Алашкевич Ю.Д., Барановский В.П. Влияние некоторых технологических параметров на структуру бумажного полотна // Межвуз. сб. науч. тр. - СибТИ, Красноярск, 1976. - вып.4 - с. 108-113.

19 Руденко А.П., Барановский В.П., Селедчик В.В. Устройство для повышения эффективности работы мокрых отсасывающих ящиков // Межвуз. сб. науч. тр. - ЛОЛЛТА, Ленинград, 1976- с. 40-41.

20 Руденко А.П., Алашкевич Ю.Д., Барановский В.П., Селедчик В.В. Совершенствование конструкции мокрых отсасывающих ящиков // Машины и аппараты ЦБП : Межвуз. сб. науч. тр. - ЛТИ ЦБП, Ленинград, 1977. - вып.5 -с. 31-32.

21 A.c. 599003 СССР. Устройство для отлива диффузоров головок прямого излучения из волокнистой суспензии / Александров A.B., Кугушев И.Д., Руденко А.П., Терентьев O.A. (СССР). - Зс. : ил.

22 A.c. 113896 (СССР) / Руденко А.П., Бареев И.М., Виноградов Б.А. и др. (СССР). - Зс.: ил.

23 A.c. 120192 (СССР) / Руденко А.П., Бареев И.М., Виноградов Б.А. и др. (СССР). - 4с.: ил.

24 A.c. 137065 (СССР) / Руденко А.П., Терентьев O.A., Бареев И.М. и др. (СССР). - Зс.: ил.

25 A.c. 771230 (СССР). Способ изготовления многослойных изделий / Головко В.Е., Кугушев И.Д., Руденко А.П., Терентьев O.A. (СССР). - 4с.: ил.

26 A.c. 151123 (СССР) / Алашкевич Ю.Д., Барановский В.П., Руденко А.П. и др. (СССР). - Зс. : ил.

27 Захарычев С.П., Александров А.В Руденко А.П.,. К вопросу об оценке стабильности работы напускных устройств БДМ // Межвуз. сб. науч. тр. -ЛОЛЛТА, Ленинград, 1980. - вып.8-с. 45-47.

28 Селедчик В.В., Руденко А.П., Барановский В.П. Расчет сеточных и прессовых частей БДМ и КДМ : Учебное пособие для студентов. - Красноярск : Красноярский государственный университет, 1981.- 84с.

29 Захарычев С.П., Александров A.B., Руденко А:П. Совершенствование конструкции напорных ящиков // Межвуз. сб. науч. тр. - ЛТИ ЦБП, Ленинград, 1982. - вып.9- с. 31-34.

30 A.c. 168650 (СССР) / Руденко А.П., Терентьев O.A., Кугушев И.Д. и др. (СССР). - Зс.: ил.

31 A.c. 166943 (СССР) / Руденко А.П., Якушевский В.А., Романов П.В. и др. (СССР). - Зс.: ил.

32 A.c. 166944 (СССР) / Руденко А.П., Якушевский В.А., Романов П.В. и др. (СССР). - Зс.: ил.

33 A.c. 183045 (СССР) / Руденко А.П., Терентьев O.A., Кугушев И.Д. и др. (СССР). - Зс. : ил.

34 A.c. 195766 (СССР) / Руденко А.П., Терентьев O.A. (СССР). - Зс.: ил.

35 A.c. 1017753 (СССР). Устройство для сортирования и гашения пульсаций давления потока бумажной массы в массоподводящих системах бумагоделательных машин / Партии А.И., Терентьев O.A., Руденко А.П., Витвинин A.M. (СССР). - Зс.: ил.

36 Гришин Г.В.,Куров B.C., Терентьев O.A., Руденко А.П. Анализ распределения пульсаций давления в вихревом очистителе // Химия и технология бумаги : Межвуз. сб. науч. тр. - ЛТА, Ленинград, 1987.-е. 89-91.

37 Руденко А.П., Гудимов A.B. К вопросу получения требуемого качества волокнистых суспензий с реакционной жидкой средой : Сб. тез. докл. краевой науч.-техн. конф./ СТИ - Красноярск: СТИ, 1987 -с. 89-90.

38 Руденко А.П., Ганчуков Е.В. К вопросу разработки методики профилирования проточных полостей машин и аппаратов ЦБП // Межвуз. сб. науч. тр. - ЛТИ ЦБП, Ленинград, 1989 -с. 147-149.

39 Руденко А.П. К вопросу разработки теории гидродинамических процессов в аппаратах с рабочей жидкой средой // Научно-технический прогресс ЛПК Вост.-Сиб. региона : Сб. статей науч.-техн. конф. - Красноярск: НТО, 1990. -т.2 -с.85-89.

40 Кутузов О.В., Ганчуков Е.В., Руденко А.П. Рациональное использование бумажной массы различного фракционного состава // Машины и оборудование : Межвуз. сб. науч. тр. - ЛТИ ЦБП, Ленинград, 1990 -с. 99-102.

41 Ганчуков Е.В., Руденко А.П. Определение гидравлической прочности целлюлозной суспензии // Машины и оборудование : Межвуз. сб. науч. тр. -ЛТИЦБП, Ленинград, 1990 с. 152-153.

42 Руденко А.П., Кушнир К.В. Определение основных размеров аппаратов с роторами геликоидного типа U Использование и восстановление ресурсов Ангаро-Енисейского региона : Сб. науч. тр. всес. науч.-практ. конф. -Красноярск, 1991. - т.2-с. 149- 151.

43 Руденко А.П., Ганчуков Е.В. Обобщенные гидродинамические характеристики пилотных и полупромышленных аппаратов с геликоидным ротором II Использование и восстановление ресурсов Ангаро-Енисейского региона : Сб. науч. тр. всес. науч.-практ. конф. - Красноярск, 1991. - т.2 -с. 152- 157.

44 Руденко А.П.,Мочульская Л.И. Обощенный параметр для аппаратов с ротором геликоидного типа различного функционального назначения // Использование и восстановление ресурсов Ангаро-Енисейского региона : Сб. науч. тр. всес. науч.-практ. конф. - Красноярск, 1991. - т.2 -с. 157- 159.

45 Руденко А.П., Кушнир К.В. Реакторы для преимущественно гидромеханической переработки смесевых суспензий высоких концентраций // Использование и восстановление ресурсов Ангаро-Енисейского региона : Сб. науч. тр. всес. науч.-практ. конф. - Красноярск, 1992 - с. 246-249.

46 Руденко А.П., Кушнир К.В. Емкостные многоцелевые реакторы непрерывного действия : Сб. науч. тр. Российской науч.-прак. конф./ Краснояр. гос. технол. акад. - Красноярск: КГТА, 1994.- т.З - с. 184-190.

47 Руденко А.П. Использование баланса энергетических затрат при расчете мощности привода реактора непрерывного действия II Проблемы химико-лесного комплекса : Сб. науч. тр. - КГГА, Красноярск, 1995.- с. 83.

48 Руденко А.П., Гордеева Л.С., Кушнир К.В. Профилирование отдельных конструктивных элементов корпуса реактора // Проблемы химико-лесного комплекса : Сб. науч. тр. - КГТА, Красноярск, 1995 - с. 81.

49 Гордеева Л.С., Руденко А.П., Кушнир К.В., Реакторы непрерывного действия для получения эфиров целлюлозы // Проблемы химико-лесного комплекса : Сб. науч. тр. - КГТА, Красноярск, 1996. - ч. 2 - с. 82.

50 Руденко А.П., Кушнир К.В. Гидродинамический стенд для выполнения измерений в потоке волокнистой суспензии // Проблемы химико-лесного комплекса: Сб. науч. тр.- КГТА, Красноярск, 1996.- ч. 2 - с. 3-4.

51 Руденко А.П., Гордеева Л.С. Теоретические основы разработки методики профилирования корпусных элементов реактора // Проблемы химико-лесного комплекса: Сб. науч. тр.- КГТА, Красноярск, 1996. - часть 2-е. 23.

52 Руденко А.П., Михайлов C.B. Кушнир К.В. Измерение скоростных характеристик в потоке волокнистой суспензии с помощью пьезоэлектрических датчиков // Проблемы химико-лесного комплекса : Сб. науч. тр.- КГТА, Красноярск, 1997. - часть 2-е. 95.

53 Руденко А.П., Михайлов C.B., Кушнир К.В. Измерительно-вычислительный комплекс для анализа гидродинамических характеристик в потоке волокнистой суспензии // Проблемы химико-лесного комплекса : Сб. науч. тр.- КГТА, Красноярск, 1997.-часть 2 - с. 13.

54 Руденко А.П., Михайлов C.B., Кушнир К.В. Гидродинамические характеристики движения волокнистой суспензии в проточной полости емкостных аппаратов. - Депонир. в ВИНИТИ 06.03.98, № 653-В98.

55 Руденко А.П., Кушнир К.В., Михайлов C.B. К вопросу о моделировании гидродинамических процессов в проточных полостях реакторов емкостного типа. - Депонир. в ВИНИТИ 06.05.98, № 1397-В98.

56 Руденко А.П., Михайлов C.B., Кушнир К.В. Об опыте использования измерительно-вычислительного комплекса для исследования гидродинамики волокнистых суспензий Л Проблемы химико-лесного комплекса : Сб. науч. тр.- СибГТУ, Красноярск, 1999 - с. 86-87.

57 Руденко А.П. О путях совершенствования процессов принудительного формования изделий из волокнисто-порошковых суспензий : Сб. тез. докл. науч.-практ. конф./СибГТУ, Красноярск, 2000 - с. 128-132.

58 Руденко А.П., Михайлов C.B. Зависимость спектральной картины пульсаций давлений в потоке от качественных параметров волокнистой суспензии : Сб. тез. докл. науч.-практ. конф. / СибГТУ, Красноярск, 2000- с. 119-120.

59 Воронин С.М., Воинов Н.А., Руденко А.П., Васютин В.Г., Жукова О.Г1. Биореакторы: Учебное пособие для студентов. - Красноярск : СибГТУ, 2000.-76с.