Содержание к диссертации
Введение
1 Активация смазочно-охлаждающих технологических сред и возможность ее автоматизации
1.1 Физические свойства смазочно-охлаждающих технологических средств 9
1.2 Управление активностью смазочно-охлаждающих технологических средств внешними энергетическими воздействиями 12
1.3 Классификация активирующих воздействий на смазочно-охлаждающие технологические среды при резании металлов 14
1.4 Методы изготовления смазочно-охлаждающих жидкостей в современной промышленности 23
1.5 Критерии сравнительного анализа устройств для изготовления эмульсий 27
1.5.1 Механические эмульгаторы 29
1.5.2 Устройства для получения дисперсных систем пневматическим способом 31
1.5.3 Акустические эмульгаторы 34
1.6 Постановка задачи исследования 41
2 Физические основы электрогидродинамического метода получения эмульсий жидких диэлектриков 44
2.1 Особенности микроструктуры эмульсий жидких диэлектриков и основные процессы, протекающие в них 45
2.2 Процесс каплеобразования и его динамика при приготовлении эмульсий жидких диэлектриков 47
2.2.1 Методы и средства для диспергирования жидких сред 47
2.3 Устойчивость капель в эмульсии жидких диэлектриков и факторы, влияющие на нее 55
2.4 Критерии, определяющие оптимальные характеристики эмульсии 60
2.5 Выводы 62
Математическая модель двухмодульного лезвийного электрогид родинамического эмульгатора жидких диэлектриков для электрической активации технологических сред 64
1 Обоснование выбора системы электродов на базе классической системы ЭГД - уравнений 65
Расход жидкого диэлектрика в двухмодульном лезвийном электрогидродинамическом эмульгаторе 76
2 Основные расчетные соотношения электростатического поля модуля дробления капель 78
3 Расчет параметров отрыва капли от капилляра 87
4 Условия устойчивости капли проводящей жидкости в электростатическом поле в среде жидких диэлектриков 92
5 Распад сфероидальной капли в однородном электростатическом поле 97
Расчет теоретической статической характеристики электрогидродинамического эмульгатора жидких диэлектриков 103
6 Расчет сил, действующих на одиночную каплю, при движении в электрическом поле и потоке диэлектрической жидкости 104
7 Расчет времени коагуляции эмульсии 110
8 Выводы 118
Экспериментальные исследования физических процессов в электрогидродинамическом эмульгаторе жидких диэлектриков и идентификация передаточной функции 120
1 Экспериментальная установка для исследования электрогидродинамического эмульгатора жидких диэлектриков 120
2 Конструкция двухмодульного лезвийного электрогидродинамического эмульгатора жидких диэлектриков 125
3 Исследование модуля насоса 128
4 Исследование модуля дробления капель 132
5 Исследование двухмодульного лезвийного электрогидродинами ческого эмульгатора жидких диэлектриков 138
4.6 Статистическая обработка результатов наблюдений 143
4.7 Автоматическая обработка результатов видеоэксперимента 145
4.8 Идентификация передаточной функции электрогидродинамического эмульгатора жидких диэлектриков 148
4.9 Выводы 152
5 Синтез автоматической системы управления электрической активацией технологических сред на базе электрогидродинамического эмульгатора жидких диэлектриков 152
5.1 Система автоматического управления подачей дисперсной фазы при приготовлении и электрической активации смазочно-охлаждающих жидкостей на базе электрогидродинамического эмульгатора жидких диэлектриков 153
5.2 Инженерная методика расчета электрогидродинамического эмульгатора жидких диэлектриков с учетом экспериментальных данных 156
5.3 Практическое применение автоматической системы активации технологических жидкостей двухмодульным лезвийным электрогидродинамическим эмульгатором 163
Заключение 166
Список литературы 168
Приложения 177
- Классификация активирующих воздействий на смазочно-охлаждающие технологические среды при резании металлов
- Устойчивость капель в эмульсии жидких диэлектриков и факторы, влияющие на нее
- Обоснование выбора системы электродов на базе классической системы ЭГД - уравнений
- Экспериментальная установка для исследования электрогидродинамического эмульгатора жидких диэлектриков
Введение к работе
Совершенствование процессов обработки металлов резанием имеет огромное значение для современного машиностроения, развитие которого требует применения большого числа разнообразных смазочно- охлаждающих технологических средств (СОТС). Широкое применение СОТС - один из наиболее доступных и экономически выгодных путей технического прогресса в машиностроение. Существенным условием улучшения качества обрабатываемых поверхностей, повышения стойкости инструмента и производительности труда является автоматизация процессов приготовления, активации и техники применения технологических жидкостей.
Анализ способов повышения эффективности СОТС при резании металлов показал, что перспективными являются физические способы активации СОТС внешним энергетическим воздействием, которые позволяют изменить свойства среды лишь на определенное время и именно в той локальной зоне, где это необходимо, то есть в зоне резания, а также автоматизировать активирующее воздействие, приспособить его к особенностям того или иного технологического перехода и включить активирующие устройства в АСУ технологического оборудования, с тем, чтобы улучшить технологические свойства охлаждающей среды на отдельных этапах операции обработки и улучшить санитарно-гигиенические условия труда рабочих. Из существующих методов активации внешними энергетическими воздействиями наибольший интерес представляет электрическая активация. При внедрении в производство физических способов активации возникает задача контроля времени релаксации вновь приобретенных свойств, которое в значительной мере зависит от метода приготовления СОТС. В настоящее время 72% всех СОТС получают, используя механические и электромеханические эмульгаторы, которые имеют ограниченные возможности по степени и качеству перемешивания компонентов за счет использования малонадежных, трущихся, инерционных механических элементов. Анализ эмульгаторов различного принципа действия показал, что существует проблема создания современного, компактного, экологического оборудования с возможностью более точного регулирования параметров для приготовления высокоэффективных СОТС.
Положительные результаты исследования двухмодульного лезвийного электрогидродинамического эмульгатора жидких диэлектриков (ЭЖД) показали, что одним из перспективных методов приготовления технологических жидкостей с одновременной электрической активацией является разработка и создание новых эмульгаторов, принцип действия которых основан на использовании эффектов электрогидродинамики, изучающей движение жидких диэлектриков в сильном электрическом поле и электродиспергировании (распылении) проводящих жидкостей, отвечающих современным требованиям, предъявляемым к этим устройствам по надежности, компактности, массогабаритным характеристикам, простоте конструкции и возможности использования в современном автоматизированном оборудовании.
Целью данной диссертационной работы является управление электрической активацией технологических сред на основе контроля точной концентрации компонентов, обеспечиваемого применением электрогидродинамического эмульгатора жидких диэлектриков (ЭЖД) как исполнительного устройства автоматической системы.
Научная новизна работы заключается в разработке метода управления электрической активацией СОЖ одновременно с ее приготовлением на базе электрогидродинамического эмульгатора жидких диэлектриков, обоснованном системой уравнений электрогидродинамики, с применением методов аналитического и визуального моделирования для исследования электростатических и гидродинамических процессов, обусловливающих работу автоматической системы в технологическом оборудовании.
В результате проведенной работы доказана возможность использования ЭГД - эффекта и электродиспергирования проводящих жидкостей для приготовления масляных технологических жидкостей с одновременной электрической активацией, а разработанного двухмодульного лезвийного электрогидродинамического эмульгатора диэлектрических жидкостей для автоматизации технологических процессов как в машиностроении, так и в других отраслях промышленности.
Управление электрической активацией масляных технологических жидкостей (ТЖ) с одновременным их приготовлением рекомендовано к внедрению в ЗАО "Волжский дизель им. Маминых"; на участке обработки металлов резанием цеха централизованного ремонта Балаковской атомной станции; в цехе подготовки смесей на ОАО "Балаковорезинотехника"; в цехе подготовки СОЖ ТОО "РТИ Энергоремонт". Научные и практические результаты работы использованы в плановых госбюджетных научно - исследовательских работах за 1994 - 1999 гг. выполненных на кафедре "Управление и информатика в технических системах" Балаковского института техники, технологии и управления (БИТТУ) при СГТУ по направлению 19-В "Векторно - энергетический анализ и синтез элементов автоматики и систем управления". Результатом работы является создание экспериментального образца двухмодульного лезвийного электрогидродинамического эмульгатора диэлектрических жидкостей и микродозатора капель.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
в IV, V Международных конференциях "Современные проблемы электрогидродинамики по электрофизики жидких диэлектриков" (г. Санкт - Петербург, 1996, 1998 гг.);
© 1-й Международной конференции "Предмет, объекты и проблемы энергетики векторного взаимодействия потоков в системах с распределенными параметрами" (г. Балаково, 1997 г.);
© 1-й Российской конференции "Математические и условно-логические модели объектов для векторно-энергетического управления в технических, биологических и социальных системах" (г. Балаково, 1998 г.);
© 2-й Российской конференции "Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах" (г. Балаково, 1999 г.);
в Всероссийской научно-методической конференции с международным участием "Региональные особенности развития машино- и приборостроения, проблемы и опыт подготовки кадров" (г. Саратов, 2000 г.);
4-й Российской конференции "Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах" (г. Балаково, 2001г.);
® семинарах кафедры " Управление и информатика в технических системах" БИТТУприСГТУв 1996-2001гг.;
© семинарах кафедры "Автоматизация и управление технологическими процессами" СГТУ в 2001 - 2002 гг.;
По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы (113 наименований) и 11 приложений. Работа содержит 176 страниц основного текста, 75 рисунков, 13 таблиц.
На защиту выносятся следующие положения:
1) Метод управления электрической активацией масляных технологических жидкостей с одновременным их приготовлением на базе электрогидроди- иамического эмульгатора жидких диэлектриков;
2) Математическая модель электрогидродинамического эмульгатора жидких диэлектриков и физические основы приготовления масляных технологических жидкостей электрогидродинамическим методом;
3) Идентификация передаточной функции и определение основных конструктивных параметров электрогадродинамического эмульгатора жидких диэлектриков по результатом экспериментальных исследований статических и динамических характеристик;
4) Методика инженерного расчета и результаты внедрения двухмо-дульного лезвийного электрогидродинамического эмульгатора жидких диэлектриков.
Теоретические и экспериментальные исследования выполнены в Банковском институте техники, технологии и управления при Саратовском государственном техническом университете.
Классификация активирующих воздействий на смазочно-охлаждающие технологические среды при резании металлов
Снижение поверхностной энергии твердого тела может быть вызвано электрическим заряжением поверхности. В основе этого явления лежит электрокапиллярный эффект, связывающий потенциал электрода (р с его поверхностной энергией о следующим соотношением: da/dq = -es (ss - поверхностная плотность заряда). В соответствии с электрокапиллярным эффектом наибольшая поверхностная энергия соответствует незаряженной поверхности. Образование двойного электрического слоя, то есть заряжение поверхности, приводит к снижению поверхностной энергии а, а, следовательно, к соответствующему снижению прочности твердого тела. Заряжение обрабатываемой поверхности весьма эффективно при обработке металлов лезвийным инструментом 121.
Проявление пластифицирующего и режущего действия СОТС при обработке возможно только при одновременном протекании процессов разрыва и перестройки связи в твердом теле и их компенсации активными компонентами СОТС в результате физико-химического воздействия, что означает необходимость присутствия активной среды непосредственно в зоне резания/1/.
В металлообработке применяют СОТС, находящиеся в различных агрегатных состояниях (твердом, жидком, газообразном).
Основная масса СОТС представляет собой жидкие среды (смазочно-охлаждающие жидкости - СОЖ), что обусловлено их более высокой (по сравнению с твердыми пластичными смазочными веществами) охлаждающей, проникающей и моющей способностью, а также экономичностью и доступностью.
СОЖ классифицируют по их химической структуре на углеводородные составы, эмульсионные (синтетические) жидкости и водные СОЖ. В общем случае СОЖ является сложной гетерогенной системой, в которой можно выделить основную (базовую, дисперсионную) и дисперсную (компоненты, присадки, до-бавки) фазы/4/. По размерам частиц дисперсной фазы (10 м) СОЖ относятся к грубодисперсным системам, таким как эмульсии, суспензии, туманы. Эмульсии - дисперсные системы, состоящие из жидкой дисперсной фазы и жидкой дисперсионной среды, нерастворимые или малорастворимые друг в друге. По характеру жидкости дисперсной фазы и дисперсионной среды все эмульсии делят на эмульсии масла в воде (м/в) и эмульсии воды в масле (в/м). При обработке металлов резанием применяют оба типа эмульсий. Концентрат эмульсии, разбавляемый водой, называют эмульсолом.
В зависимости от физико-химическігх особенностей основной фазы СОЖ подразделяются на водные (водо-смешиваемые), масляные и специальные (основная фаза — животные и растительные масла, синтетические масла и расплавы металлов).
Основным компонентом (основой) масляных СОЖ и эмульсолов являются минеральные масла, содержание которых в композициях составляет 70- 90 % и более. Чаще всего масляные СОЖ приготовляют на основе индустриальных масел. Кинематическая вязкость масел различна и изменяется в пределах 5 — 500 м2/с при 50С и 11-10 6 — 70-10"6 м2/с при 100С. Для приготовления СОЖ предпочтительны масла, вязкость которых не превышает 50 м/с 10 при 40С без присадок или с присадками различного функционального назначения (антифрикционными, противоизносными, противозадирными, антиокислительными, пенными, моющими, антикоррозионными и др.)/4/.
Повысить эффективность СОЖ при резании металлов можно несколькими способами: подбором оптимального состава; активацией СОЖ внешним энергетическим воздействием; применением специальных методов подачи СОЖ (под давлением, распылением, через каналы в теле инструмента), улучшением степени очистки СОЖ от механических примесей. Наиболее распространен первый из этих способов, остальные используют редко, так как для их реализации требуются значительные капитальные затраты и необходимы свободные производственные площади/5/.
В процессе резания металлов важным фактором является физико-химическое влияние технологической среды на свежеобразованные при резании поверхности инструмента и обрабатываемого материала: повышение реакционной способности СОТС по отношению к этим поверхностям благоприятно воздействует на процесс резания/1/.
Активация технологических сред - это любые воздействия на среду, направленные на повышение ее эффективности при резании. Активация СОТС может осуществляться химическими методами, например, путем введения в составы СОТС химически активных присадок, то есть путем изменения ее химического состава (химическая активация), а также внешними энергетическими воздействиями на СОТС, поступающую в зону резания (физическая активация) /.
В тех случаях, когда резерв повышения эффективности СОТС путем изменения ее химического состава оказывается исчерпанным, расширить границы эффективности позволяет применение физических методов активации. С помощью того или иного метода физической активации СОТС можно в принципе изменить свойства среды лишь на определенное время и именно в той локальной зоне, где это необходимо, то есть в зоне резания. Эта особенность ряда активирующих воздействий может повлечь за собой снижение уровня некоторых ограничительных требований, предъявляемых к составу и свойствам СОТС. Имеются в виду, в первую очередь, требования в отношении коррозионных свойств и токсикологических показателей технологической среды 121. Повышение эффективности СОЖ методами физической активации рассматривались в работах В. Н. Латышева, Е. Г. Бердичевского, Л. В. Худобина, В. Ф. Жданова и других исследователей.
В режиме физической активации можно применять композиции СОТС, которые будут нетоксичными, коррозионно - неактивными в контакте с элементами технологического оборудования, лишь непосредственно в зоне резания они приобретут те заданные параметры активности, которые обеспечат эффективность процесса металлообработки. Активированные компоненты СОТС более эффективно производят смазочный эффект за счет более интенсивного образования на контактных поверхностях защитных пленок, что улучшает качество поверхности и уменьшает износ режущего инструмента. Активация СОТС различными методами повышает их биологическую стойкость/6/.
Помимо влияния на основные функциональные свойства среды, некоторые методы активации проявляют также бактерицидный, гомогенезирующнй и другие дополнительные эффекты, повышающие экономичность применения технологических сред и улучшающие условия их эксплуатации.
Важное достоинство физических методов активации СОТС — гибкость в управлении процессом, что позволяет автоматизировать активирующее воздействие, приспособить его к особенностям того или иного технологического перехода, а в перспективе включить активирующие устройства в АСУ технологического оборудования, с тем, чтобы улучшить технологические свойства охлаждающей среды на отдельных этапах операции обработки/2/.
Теория физических методов активации в настоящее время находится в состоянии разработки. Сложность и многосторонний характер физико-химических процессов, протекающих при активации, их специфичность по отношению к материалам различного рода, участвующим в металлообработке, разнообразие возможных условий применения в большинстве случаев не позволяют дать универсальные рекомендации по использованию того или иного метода активации. В силу этих причин технологические режимы работы акти-ващюнных устройств определяются главным образом эмпирически 12, II.
Устойчивость капель в эмульсии жидких диэлектриков и факторы, влияющие на нее
При производстве эмульсии энергия необходима не только для образования новых поверхностей, но и для преодоления внутреннего трения жидкости и приведения ее в движение. Одной из возможностей, позволяющей уменьшить потребление энергия на эмульгирование, является прерывистая подача дисперсной фазы в виде дозированных порций (капель). В связи с этим, большой интерес представляет анализ процесса каплеобразования и поведения образующихся капель в полях различной физической природы и, в том числе, в электрических полях различного характера и интенсивности.
Общий метод получения мелких частиц базируется на принципе неустойчивости тонких струек или пелены жидкости, дробление которых приводит к образованию капель. Этот процесс подробно описан Маршаллом /361.
Распыливание жидкостей является одним из способов диспергирования жидкостей, оно заключается в дроблении струи или пленки жидкости на большое число отдельных капель с последующим распределением этих капель в пространстве.
В настоящее время существуют следующие механизмы процесса распы-ливания жидкостей: образование поверхностных микроволн; турбулентность жидкости; кавитация. Независимо от предлагаемого механизма причиной образования капель является колебательный процесс, развивающийся вблизи среза сопла распылителя /11, 18/.
Увеличение свободной энергии поверхности, связанное с деформацией струи, ведет к проявлению действия молекулярных сил, стремящихся сократить общую поверхность струи и придать ей форму, соответствующую равновесию. Частицы жидкости, выведенные из равновесного положения, стремятся вновь вернуться к нему. Проходя через положение равновесия по инерции, они вновь испытывают действие восстановительных сил и т.д. В результате таких возмущений на поверхности струи (пленки, капли) возникают колебания, которые из-за существования множества возмущений могут накладываться друг на друга. При этом они могут затухать или возрастать в зависимости от физических параметров струн и окружающей среды, а также от условий истечения. С ростом амплитуды колебаний устойчивость струи нарушается, и она распадается на отдельные частицы /11/.
В зависимости от характера приложенного воздействия, можно выделить следующие способы распыливания жидкости: гидравлическое; механическое; пневматическое; ультразвуковое; электрическое. Рассмотрим кратко сущность каждого ш указанных способов.
Гидравлическое распыливанпе. По этому способу жидкость дробится за счет давления нагнетания при свободном распаде струй, пленок или крупных первичных капель, падающих с большой скоростью из соплового отверстия распылителя.
Распад капель зависит от скорости истечения, что проиллюстрировано на рис.6. При малой скорости капли не дробятся и увлекаются воздухом. С увеличением скорости капли теряют устойчивость и распадаются на более мелкие. При очень больших скоростях капля под влиянием перепада давления на ее поверхности образует тело, похожее на эллипсоид, который быстро сплющивается в центре и превращается в жидкое кольцо с тонкой оболочкой, носящей название «мешок». Диаметр кольца все более увеличивается, «мешок» разрушается и появляется множество мельчайших капель. Наконец, и само кольцо дробится на мелкие капли /18/.
Гидравлическое распыление является наиболее экономичным (2—4 кВт на 1 т жидкости), однако, создаваемый при этом распыл довольно грубый и неоднородный, затруднено регулирование расхода при заданном качестве дробления, вместе с тем этот способ достаточно широко распространен вследствие сравнительной его простоты.
Механическое распыливание. Механическое распыливание осуществляется с помощью механизмов, вращающихся от специального привода. Жидкость приобретает кинетическую энергию вследствие действия центробежных сил. В зависимости от конструкции распыливающего механизма (диск, стакан, конус и др.), дроблению подвергается струя или пленка жидкости. Характер дробления жидкости в данном случае в значительной мере определяется ее расходом. При очень малом расходе на кромке вращающегося диска возшікает жидкий тор, который под действием центробежных сил деформируется - на нем образуются шаровидные узлы, затем они отрываются в виде отдельных капель (рис.7). При увеличении расхода эти узлы вытягиваются в тонкие струи и нити /18/. Число нитей увеличивается, достигая постоянной величины. При дальнейшем увеличении расхода нити не могут пропустить всю жидкость из тора; он сбрасывается с кромки и образует пленку. В начале эта пленка вытягивается на определенное расстояние от кромки, а далее распадается на нити и крупные капли. К достоинствам этого способа следует отнести: возможность распыли-вания высоковязких и загрязненных жидкостей и широкого регулирования производительности распылителя без существенного изменения дисперсности. Основные недостатки: вращающиеся распылители дорого стоят, они сложны в изготовлении и эксплуатации, более энергоемки (15 кВт на 1 т жидкости) и, кроме того, обладают вентиляционным эффектом. Механическое распыливание используют главным образом для дробления вязких жидкостей и суспензий/18/.
Обоснование выбора системы электродов на базе классической системы ЭГД - уравнений
При определенной интенсивности перемешивания капли дробятся только до какого-то предела, так как с уменьшением размера капель их жесткость возрастает, и диспергируются они хуже, что подтверждено экспериментально/41/.
Существенное влияние на свойства эмульсии оказывает интенсивность перемешивания. Более быстрое перемешивание дает лучшие элгульсии в той же самой аппаратуре, при неизменных ее компонентах и способах их введения.
Изменение температуры оказывает на элгульсии лишь косвенное воздействие: изменяется поверхностное натяжение, вязкость и др. Поскольку при возрастают температуры и вязкость, и поверхностное натяжение уменьшаются, то и эмульгирование обычно происходит легче. Температура повышается вследствие энергичного перемешивания жидкости. По некоторым данным, значительное повышение или понижение температуры ведет к ухудшению качества эмульсий за счет коагуляции частиц /8/.
Применение ЭГД - технологий для приготовления эмульсии с оптимальными характеристиками позволит снизить энергозатраты на эмульгирование за счет отсутствия промежуточных этапов преобразования электрической энергии в пщродинамическую, необходимую для объемного перемешивания компонентов, а использование автоматизированного дозирования дисперсной фазы позволит поддерживать оптимальную температуру эмульсии, так как процесс диспергирования одновременно большого количества капель сопровождается увеличением температуры. Коронный разряд, используемый в ЭГД -эмульгаторе является "холодным", выделение от него дополнительного тепла мало и им можно пренебречь /43/. 1. Из всего многообразия эмульсий практический интерес и наибольшее распространение получили эмульсии, в которых одна из фаз - вода, а вторую фазу представляет неполярная или малополярная жидкость (например, керосин, минеральные масла). 2. Одной из возможностей, позволяющей уменьшить потребление энергии на эмульгирование, является создание автоматизированной системы для подачи дисперсной фазы в виде дозированных порций (капель). В связи с этим, большой интерес представляет анализ процесса каплеобразования и поведения образующихся капель в полях различной физической природы и, в том числе, в электрических полях различного характера и интенсивности. 3. Анализ рассмотренных способов распыливания жидкостей выявил необходимость преобразования жидкости перед распыливанием в такие формы (струя, пленка, капля), которые обладают наибольшей поверхностной энергией, а поэтому неустойчивы и быстро распадаются. Распыливание жидкостей является одним из способов диспергирования жидкостей, которое заключается в дроблении струи или пленки жидкости на большое число отдельных капель с последующим распределением этих капель в пространстве, перспективным направлением является электростатическое распыливание. 4. Критериями для получения оптимальных характеристик эмульсии в промышленном производстве являются: устойчивость, время перемешивания, интенсивность перемешивания. Перспективным направлением для приготовления эмульсии с оптимальными характеристиками является применение ЭГД -технологий. Анализ методов и устройств для изготовления технологических средств, применяемых в машиностроении при обработке металлов, в частности, смазоч-но-охлаждающих жидкостей (СОЖ), проведенный в главе 1, показал, что в настоящее время не существует удовлетворительных эмульгаторов, позволяющих совмещать приготовление и физическую активацию СОТС. Использование ЭЖД в автоматических гидросистемах подачи СОЖ позволит осуществлять ее электрическую, а при необходимости, и химическую активащпо. Новизна электрической активации на базе ЭЖД, заключается в том, что вновь приобретенные свойства СОЖ могут сохраняться длительное время за счет наличия носителей заряда, которыми являются капли воды, кроме того, СОЖ обогащается кислородом, выделяющемся в процессе диспергирования воды. Методы образования капель и условия их устойчивости рассмотрены в главе 2.
С целью определения основных характеристик ЭЖД проведем исследование его математической модели. Для формирования математической модели необходимо проанализировать физические процессы, происходящие при эмульгировании.
Процесс эмульгирования воды в слабополярных диэлектрических жидкостях (минеральные масла, керосин и т. д.) представляет собой, по своей сути, механическое дробление капель воды на более мелкие до образования долговременно устойчивых эмульсий под действием электростатических и гидродинамических сил. Это сложный электрогидромеханический процесс, в котором задействованы следующие физические явления: электрогидродинамики образования униполярного заряда в диэлектрической жидкости; конвективное ЭГД течение заряженной диэлектрической жидкости; эффект поляризации, дефор-мацгаг, механического перемещения, дробления, электростатического взрыва и возвратно-поступательного движения капель воды между электродами; быстрого и долговременного выпадения капель воды в осадок; химические концентрационные механизмы изменения параметров диэлектрической жидкости и воды; импульсные тепло- взрывные процессы до образования кавитационных каверн /44/.
Для эмульсии характерно распределение одной жидкости (дисперсной фазы) в другой (дисперсионной среде) в виде мелких капель. При изготовлении водомасляных эмульсий жидких диэлектриков в качестве дисперсной фазы используют воду, которая является проводником. Если при взаимодействии электрического поля с диэлектрической жидкостью возникает изотермическая электроконвекция (насосный эффект) /45/, то при взаимодействии с проводящими жидкостями возникают взрывные эффекты, то есть происходит диспергирование струи, пленки, капли на мелкие части/46/.
Экспериментальная установка для исследования электрогидродинамического эмульгатора жидких диэлектриков
Качественную оценку получаемой эмульсии проведем по величине и характеру изменения проводимости, поскольку качество эмульсии определяется размерами частиц дисперсной фазы и монодисперсностью получаемой жидкости, которые напрямую связаны с проводимостью. Кроме того, графики проводимости имеют более стабильный характер и равномерное расположение точек на координатной плоскости, по сравнению с вольтамперными характеристиками (ВАХ). Однако ВАХ позволяет выявить некоторые особенности работы ЭЖД.
Анализ экспериментальных данных показал /70/: 1) с уменьшением угла наклона плоскостей в МДК ВАХ приобретает более стабильный характер, что указывает на возрастание скорости дробления капель в МДК, а, следовательно, повышается и качество получаемой эмульсии, что подтверждают графики проводимости; 2) при параллельных плоскостях электродов разброс графиков по координатной плоскости небольшой (кривые расположены приблизительно на одинаковом расстоянии друг от друга), то есть изменение расстояния между модулями не приводит к резкому изменению скорости дробления капель. Увеличение угла наклона плоскостей электродов разбрасывает графики, а в интервале углов от 30 до 60 характеристики для Z=50 мм и L=70 мм меняются местами. Процесс постепенного "отдаления" графиков наиболее ярко виден на характеристиках проводимостей: при параллельных плоскостях в МДК увеличение расстояния между модулями на 20 мм изменяет проводимость на 10" См, при соответствующих значениях времени в течение всего эксперимента; при а = 30 проводимость изменяется от 4-10" См в начале и до 17-10"9См в конце эксперимента; при а — 60 разброс кривых очень ярко выражен; 3) при удалении МН от МДК точки ВАХ располагаются более хаотично и неравномерно, то есть чем больше расстояние между модулями, тем менее эффективна работа МН как конденсатора с распределенными параметрами, сглаживающим пики тока; 4) при достаточно высокой начальной проводимости (от 10-10"9 См) ее величина во время эксперимента изменяется неравномерно, то есть при достижении 20-10"9 См на графике виден участок продолжительностью 10-20 минут, когда проводимость оставалась неизменной, наблюдался процесс насыщения. Затем для углов наклона 30 и 60 проводимость либо увеличивалась на незначительную величину, либо падала, то есть, происходил процесс деэмульгпрования, и капли дисперсной фазы осаждались на дне кюветы, и только для параллельных плоскостей МДК видно дальнейшее значительное возрастание проводимости; 5) для расстояния 30 мм между модулями увеличение угла наклона электродных плоскостей в МДК приводит к незначительному смещению ВАХ вверх, в сторону увеличения токов. Однако, по сравнению с другими графиками характеристика наиболее стабильна; 6) приведенные экспериментальные данные подтвердили выбранную математическую модель процесса ЭГД - эмульгирования. Таким образом, из вышеизложенного следует, что наиболее оптимальным с точки зрения качества получаемой эмульсии, которое характеризуется дисперсностью и размером капель, является ЭЖД с расстоянием 30 мм между модулями и параллельными плоскостями электродов в МДК. Результаты экспериментов позволяют выявить зависимость между расходом дисперсной фазы и величиной объемного заряда полученной В/М эмульсии, которую используют в качестве СОЖ, для обработки металлов резанием. Величина заряда рассчитывалась по формуле q = It, где / - начальный ток в момент попадания капли в дисперсионную среду, А; / — время дробления капли, с. Начальный ток измерялся микроамперметром типа М-95 класса 1,5 с нижним пределом 0,1мкА, напряжение питания измерялось вольтметром типа С-100, температуру эмульсии измеряли термометром. Расход воды (дисперсной фазы) контролировался с помощью микродозатора капель, погрешность которого не превышает 1%. Статическая характеристика ЭЖД приведена на рис.68. Статистическая обработка результатов экспериментов была выполнена на основе регрессионного анализа /71/, который включает в себя два элемента: метод наименьших квадратов и дисперсионный анализ. Пользуясь принципом наименьших квадратов, составим нормальные уравнения линейной регрессии /71/: - коэффициент регрессии; Xj, у І - значения экспериментальных наблюдений. Значения а и р определяем по формулам /71/ откуда у-а + рх то есть средняя точка ( .j7) совместного распределения изучаемых величин всегда лежит на линии регрессии. В определении линии регрессии участвуют две случайные величины: среднее у (заменяющее а) и коэффициент регрессии р. Распределение коэффициента регрессии и некоторых, связанных с ним величин по Бартлету определяется по формуле/71/:
