Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ литературных источников
1.1 Параметры строения и способы формирования мотальных паковок 8
1.2 Процессы фильтрации и принципы осаждения частиц загрязнений в пористой структуре фильтра 22
Выводы к главе 1 40
Глава 2. Теоретическая часть
2.1 Метод расчета пор в пористой перегородке 41
2.1.1 Расчет геометрических характеристик пористой перегородки 45
2.1.2 Расчет технических показателей пористой перегородки 51
2.2 Метод расчета фильтровальных паковок замкнутой намотки 56
2.2.1 Расчет гидравлических характеристик пористой перегородки 57
2.2.2 Осаждение частиц загрязнений в структуре пористой перегородки 62
2.3 Подходы к выбору сырьевого состава и линейно-плотностных характеристик используемого сырья 69
2.4 Метод проектирования мотальной паковки замкнутой намотки, предназначенной для очистки суспензии от взвешенных частиц фракций заданной крупности 70
Выводы к главе 2 73
Глава 3: Средства и методы исследования, обоснование объектов исследования
3.1 Математические методы, применяемые при исследовании физико-механических свойств фильтровальных паковок 89
3.2 Методика и средства исследований физико-механических свойств фильтровальных паковок 95
Выводы к главе 3 95
Глава 4: Экспериментальная часть
4.1 Исследование влияния заправочных параметров на физико-механические свойства мотальных паковок 96
4.2 Определение скоростей и ускорений методом построения кинематических диаграмм 111
4.2.1 Использование метода графического дифференцирования при оценки переменной скорости нитераскладчика 115
Выводы к главе 4 121
Глава 5: Рекомендации по совершенствованию технологических процессов формирования мотальных паковок для фильтров
5.1 Рекомендации по совершенствованию привода мотального автомата 123
5.2 Рекомендации по совершенствованию мотального патрона с целью уменьшения сопротивления пористой перегородки в процессе фильтрации 135
Выводы к главе 5 147
Общие выводы и рекомендации 149
Список литературы 152
Приложение 1 159
Приложение 2 168
Приложение 3 173
Приложение 4 176
Приложение 5 178
- Процессы фильтрации и принципы осаждения частиц загрязнений в пористой структуре фильтра
- Расчет геометрических характеристик пористой перегородки
- Методика и средства исследований физико-механических свойств фильтровальных паковок
- Определение скоростей и ускорений методом построения кинематических диаграмм
Введение к работе
Фильтрование жидкостей в жизнедеятельности человека занимает важное место. Оно осуществляется на фильтрах различных типов. Фильтры используются повсеместно, например, в крупных системах хозяйственно-питьевого водоснабжения для очистки воды, в системах защиты окружающей среды от промстоков, в механизмах и машинах для очистки масел, широко применяются в быту с целью улучшения качества водопроводной воды, ухудшающегося в процессе транспортирования её по металлическим трубам. Сам процесс фильтрования призван обеспечивать жидкостям нормативные качества в различных условиях их использования.
Настоящая работа посвящена исследованию и проектированию фильтра с заданным размером пор для очистки суспензии от взвешенных частиц фракций заданной крупности.
Первый картриджный фильтропатрон появился на американском рынке. В середине 30-х годов он был с бессистемными извилистыми каналами. Но с тех пор он претерпел значительные улучшения по показателям удаления из жидкости взвешенных частиц. Однако анализ конструкций таких фильтров говорит о возможности улучшения этих показателей, если получить достаточно точные количественные зависимости между гидравлическими и геометрическими характеристиками поровых каналов различных форм, сделать поры упорядоченными. Слабым местом в знаниях о таких фильтрах является отсутствие надёжного метода проектирования размеров и профилей поровых каналов пористой перегородки фильтра для задержания частиц фракций заданной крупности. Поэтому справедливым следует считать, прежде всего, необходимость разработки такой модели, которая учитывала бы все технологические параметры присущие мотальным текстильным паковкам, предназначенным для жидкостной обработки.
Актуальность исследования заключается в разработке метода проектирования мотальной паковки замкнутой структуры намотки для фильтров.
Научная новизна работы заключается в том, что:
разработан метод проектирования мотальных паковок замкнутых намоток для фильтрации суспензий от взвешенных частиц фракций заданной крупности;
определено влияние профиля (щелевидности) пор на параметры строения и гидравлические свойства мотальных паковок;
установлена зависимость угла подъема винтовой линии на паковке от скорости переносного движения нитей;
получены математические модели,, определяющие взаимосвязь между технологическими параметрами изготовления мотальных паковок замкнутых намоток, параметрами строения мотальных паковок и их свойствами.
Практическая значимость работы заключается в том, что:
получены формулы для расчета эквивалентного диаметра транзитного канала поры и послойной длины нити на паковке замкнутой структуры намотки;
установлены оптимальные технологические параметры формирования мотальных паковок;
предложена программа для расчета геометрических и гидравлических параметров мотальных паковок замкнутых намоток для фильтров;
предложен патрон для формирования на его поверхности пористого волокнистого слоя намотки, позволяющий снизить сопротивление пористой перегородки потоку фильтруемой суспензии.
7 Автор защищает:
Методику проектирования мотальной паковки замкнутой намотки для фильтрации суспензий от взвешенных частиц фракций заданной крупности.
Результаты расчетов влияния профиля (щелевидности) пор на параметры строения и гидравлические свойства мотальных паковок.
Математические зависимости свойств и строения мотальных паковок замкнутых намоток от технологических параметров их изготовления.
Оптимальные технологические параметры изготовления мотальных паковок замкнутых намоток для фильтров.
Конструкцию реечного патрона с улучшенными гидравлическими характеристиками.
Процессы фильтрации и принципы осаждения частиц загрязнений в пористой структуре фильтра
Движение жидкостей через твердые (деформируемые или недеформируемые) тела по связанным между собой порам и трещинам называется фильтрацией [1.19]. Фильтрация может быть обусловлена воздействием различных сил: градиентами давления, концентрации, температуры, а также гравитационными, капиллярными, электромолекулярными и другими силами. Например, движение (фильтрация) расплавленного воска в фитиле свечи, или керосина в фитиле керосиновой лампы, обусловлено капиллярными силами.
Теория фильтрации получила большое развитие в связи с потребностями гидротехники, гидромелиорации, гидрогеологии, горного и нефтегазового дела, химической технологии, аэрокосмической техники и т.п.
Характерные особенности движения жидкости в пористой среде обусловлено как спецификой строения фильтра, так и условиями при которых происходит фильтрация.
Поровое пространство — это сложная система сообщающихся и не сообщающихся пустот. Размеры пор фильтров составляют обычно единицы или десятки микрометров (мкм), в зависимости от характера фильтруемой жидкости и необходимой степени очистки.
Согласно А. Адамсу понятие «капиллярность» относится к поверхностям раздела [1.20], которые достаточно подвижны для образования равновесной формы. В соответствии с тремя состояниями вещества (твердое, жидкое, газообразное) можно выделить следующие типы поверхности раздела: газ — жидкость, газ — твердое тело, жидкость - жидкость, жидкость - твердое тело, твердое тело - твердое тело. Наиболее характерными примерами являются мениски и капли, образованные жидкостями на воздухе или в другой жидкости, и тонкие пленки, например пленка, образующая мыльный пузырь.
Экспериментальные исследования капиллярного подъема показывают связь между смачиванием стенок капилляров и формой поверхности жидкости в капилляре (вогнутый мениск - при смачивании, выпуклый мениск - при отсутствии смачивания).
На явления смачивания еще в XVII в. впервые обратил внимание Р. Гук: он обнаружил, что вода протекает через маленькие отверстия только под действием сильного давления [1.4]. В XVIII в. Дж. Жюрен экспериментально доказал, что высота капиллярного подъема смачивающей жидкости в капиллярной трубке обратно пропорциональна ее диаметру. В начале XIX в. Т. Юнг при изучении смачивания показал, что форма капли на твердой поверхности определяется соотношением сил молекулярного притяжения между молекулами жидкости и твердого тела и взаимным притяжением молекул жидкости; кроме того, он дал представление о краевом угле как количественной характеристике смачивания. В тот же период П. С. Лаплас вывел уравнение для расчета кривизны поверхности жидкости в капиллярах; он определил, что искривление, зависящее от характера смачивания твердой поверхности, создает дополнительное давление, которое и вызывает подъем смачивающей жидкости в капилляре. В конце XIX в. Д. У. Гиббс получил уравнение, устанавливающее зависимость краевого угла от поверхностных натяжений на границах раздела фаз, участвующих в смачивании. В начале XX в. Л. Г. Гурвич и И. Лэнгмюр определили, что большое влияние на смачивание оказывает адсорбция поверхностно-активных веществ.
Принципиально важные результаты были получены в 30-е годы советскими учеными - П. А. Ребиндером (гистерезис смачивания), А. Н. Фрумкиным (методы управления смачиванием), В. В. Дерягиным (расклинивающее давление).
Феноменологическую (капиллярную) теорию смачивания создал Юнг (1804 год) и Лаплас (1805 год) [2.2]. Количественной мерой смачивания служит краевой угол 0 между касательной АВ к искривленной поверхности жидкости и смоченной площадью АА (рис. 1.1). Граничный контур (периметр основания капли) называется линией трехфазного контакта (ЛТК). Этот термин подчеркивает, что в смачивании участвуют три фазы: 1) твердое тело, 2)смачивающая жидкость, 3) фаза - «предшественник», которая находится в контакте с твердой поверхностью до подвода жидкости.
Центральное положение Юнга-Лапласа: краевой угол определяется конкуренцией двух сил, действующих на ЛТК (см. рис. 1.1). Одна сила - это притяжение молекул жидкости к ближайшим молекулам жидкости капли. В расчете на единицу ЛТК это сила поверхностного натяжения жидкости Ужг (в м Н/м).
Расчет геометрических характеристик пористой перегородки
Формирование мотальных паковок предлагается осуществлять на мотальной машине "Макромат" имеющей широкие технологические возможности по перемотке нитей различных линейных плотностей, а также может быть использована для перемотки лент, проволоки и т.д. в конические и цилиндрические паковки больших габаритов и в значительные массы.
Привод веретена 1 осуществлен непосредственно от электродвигателя. От вала веретена движение получает нитеводитель через конойдный вариатор (ременного исполнения) и прямозубые шестерни z2 и zb передающие вращение пазовому однозаходному кулачку.
Проектируя фильтры, в первую очередь будем ориентироваться на размеры частиц, которые должны быть задержаны фильтрующей перегородкой. Поэтому число замыканий и число оборотов бобины за время цикла движения нитеводителя будут подбираться с тем расчетом, чтобы получаемый эквивалентный диаметр ячейки соответствовал размеру частиц, задержание которых необходимо осуществить.
Чтобы на паковке, диаметр патрона которой равен 3,2 см, формировалась намотка замкнутого типа и не переходило в сомкнутую (то есть максимально возможное число замыканий) число замыканий не должно превышать.
Для того чтобы реализовался процесс фильтрования с осаждением частиц в теле паковки, необходимо задать такое число замыканий и такое число витков, навиваемых на паковку за время двойного прохода нитеводителя, при которых эквивалентный диаметр ячейки поры на внутреннем слое намотки стал равен диаметру частиц, задержание которых необходимо осуществить.
Таким образом, для очистки воды от взвеси песка с размером частиц 1,2 мм необходимо, чтобы эквивалентный диаметр пор на внутреннем (1 слое у патрона) слое был равен 1,2 мм. Установлено, что для получения эквивалентного диаметра равного 1,2 мм на первом слое намотки необходимо установить такое передаточное отношение кулачка нитеводителя к веретену, при котором число оборотов бобины равнялось бы щ=6, а число замыканий р=48. В приложении 2 представлен полный список технических и геометрических параметров пористых перегородок-фильтров с изменяемой щелевидностью пор, спроектированных для задержания частиц размером 1,2 мм.
С увеличением диаметра намотки окружная скорость наматывания также линейно возрастает. Линейные зависимости окружных скоростей наматывания от диаметра намотки для каждой из пяти паковок представлены на графике 2.1.1.2.
Основываясь на данных представленных на графиках 2.1.1.1 и 2.1.1.2 можно сделать вывод, что чем больше будет отношение частоты вращения веретена к частоте вращения кулачка нитеводителя тем более щелевидные поры будут формироваться на мотальной паковке.
Угол подъема витков пропорционально убывает с увеличением окружной скорости наматывания, по мере увеличения числа слоев и, соответственно, диаметра намотки. Изменение угла подъема витков представлено на графике 2.1.1.3. Из графика 2.1.1.3 видно, что чем больше щелевидность (щелевидность максимальна при р=35 и П]=10), тем меньше угол подъема витков как на первом слое намотки (у патрона) так и на слое у периферии. Отметим, что на Зб-ом слое намотки угол подъема витков равен 1472 , а при 1045 крестовая намотка переходит в параллельную. При выборе диаметра намотки паковки очень важно, чтобы на всей паковке сохранялся крестовый вид намотки, и намотка" не переходила в параллельную на верхних слоях. В противном случае равновесность намотки на паковке будет нарушена и возможно повреждение тела фильтра потоком жидкости.
К базовым техническим показателям пористых перегородок для фильтров относятся базовый вес фильтра, толщина пористой перегородки, размер пор, пористость.
Под пористостью перегородки понимается отношение объема свободного от нити пространства - пор к общему объему паковки. Пористость паковки зависит от числа замыканий намотки. С увеличением числа замыканий (р) увеличивается длина нити, а, следовательно, ее объем на паковке при том же диаметре намотки бобины, и пористость паковки снижается.
Методика и средства исследований физико-механических свойств фильтровальных паковок
Процесс перематывания осуществлялся на кафедре ткачества МГТУ им. А.Н. Косыгина. Условия изготовления мотальных паковок оценивались величиной среднего натяжения нитей. Натяжение нитей в процессе перематывания измерялось при помощи осциллографа. Плотность полученных мотальных паковок измерялась при помощи денсиметра. Показатели физико-механических свойств нитей определялись по существующим стандартным методикам: - воздухопроницаемость по ГОСТ 12088-77; - разрывная нагрузка и разрывное удлинение нитей по ГОСТ 3813 -72 на машинах РТ-250-М-2; FP-10/1, "Statigraf. Образцы пористых перегородок для определения воздухопроницаемости готовились следующим образом: 1. Волокнистый материал намотки проклеивался вдоль паковки; 2. По линии проклеивания волокнистый материал разрезался, в результате чего образовывалась прямоугольная развертка намотки; 3. Полученный образец подвергался испытанию. Выводы к главе 3 1. Получена регрессионная многофакторная модель второго порядка, описывающая влияние выбранных факторов на критерий оптимизации. 2. Выбранные методы и средства исследований фильтровальных паковок позволяют проводить экспериментальные исследования, которые обеспечивают необходимую достоверность получаемых результатов.
Подобрав по методу планирования в п. 2.4 геометрические параметры поровой структуры фильтра, которые позволят задержать в теле фильтра частицы заданной крупности, были выбраны заправочные показатели намотки, изменение которых отразилось на показателях прочности и проницаемости упомянутых паковок.
Для определения оптимальных с точки зрения прочности и проницаемости параметров формирования мотальных паковок применялся метод математического планирования эксперимента по плану БОКСА (Вз) для трех факторов. Интервалы и уровни варьирования факторов, матрица планирования и порядок обработки данных эксперимента описан в гл. 3. Испытания образцов проводились по существующим стандартным методикам, представленным в п. 2 гл. 3.
Значения физико - механических свойств исследуемых образцов при изменении заправочного натяжения, высоты баллона и шага представлены в таблице 4.1. Обработка экспериментальных данных проводилась на ЭВМ. Двумерные и одномерные сечения поверхностей отклика свойств образцов от исследуемых факторов представлены на рис. 4.1 — 4.8. Коэффициенты регрессии, их доверительные интервалы и расчетные значения критерия Фишера представлены в таблице 4.2. Из экспериментальных данных следует, что: - воздухопроницаемость исследуемых образцов изменяется в пределах от 370,51 до 497,15 дм3/м2-с; - разрывная нагрузка нитей изменяется от 243,485 до 304,821 сН; - разрывное удлинение нитей изменяется от 3,166 % до 5,769 %;
Коэффициенты регрессии, табличные и расчетные значения критерия Кочрена, расчетное значение критерия Фишера по данным эксперимента с использованием матрицы планирования БОКСА (В3)
1. Воздухопроницаемость изменяется в значительных пределах. Наибольшее влияние на величину воздухопроницаемости оказывает заправочное натяжение нити. 2. С увеличением заправочного натяжения нити от 10 до 50 сН воздухопроницаемость исследуемых образцов уменьшается от 496 до 439,44 дм /м -с. При фиксированных значениях факторов Х2 = 0 и Хъ = 0 на нулевом уровне график зависимости воздухопроницаемости от заправочного натяжения представлен на рис. 4.5. 3. С увеличение высоты баллона от 30 до 50 см воздухопроницаемость исследуемых образцов сначала увеличивается от 426 до 444,21 дм /м"-с, а затем уменьшается от 444,21 до 418,8 дм/м-с. При фиксированных значениях факторов X, = 0 и Х3 = 0 на нулевом уровне график зависимости воздухопроницаемости от высоты баллона представлен на рис. 4.5. 4. С увеличением от 55 до 65 мм шага воздухопроницаемость исследуемых образцов уменьшается от 446,57 до 418 дм/м-с. При фиксированных значениях факторов Хх = 0 и Х2 = 0 на нулевом уровне график зависимости воздухопроницаемости от величины шага винтовой линии намотки представлен на рис. 4.5.
Определение скоростей и ускорений методом построения кинематических диаграмм
Кинематической диаграммой принято называть зависимость какого либо параметра движения звена от времени или параметра перемещения ведущего звена, графически представленную кривой в прямоугольной, системе координат.
С точки зрения изучения движения звеньев механизмов наибольший интерес представляют графики перемещений скоростей и ускорений ведомых звеньев и их точек в зависимости от параметра времени или перемещения ведущего звена. В качестве параметра перемещения ведущего звена необходимо выбрать угол поворота (мотального барабанчика главного вала станка и т.д.).
Зависимость параметров движения механизмов в виде графиков дает возможность наглядно представить их изменение за длительный промежуток времени. Это позволяет оценить технологический процесс напряженности, его изменение во времени. Учитывая, что в процессе подготовки нитей к ткачеству и в процессе ткачества движущие узлы и механизмы технологического оборудования представляют собой циклически изменяющиеся системы, достаточно ограничиться продолжительностью времени одного цикла. Необходимость составления графиков может быть оправдана при любых методах определения параметров: аналитических, графических и экспериментальных.
Как известно, функции перемещения, скорости и ускорения движения, какой-либо точки или звена можно определить при помощи дифференцирования и интегрирования. Поэтому для определения всех этих функций достаточно иметь диаграмму одной из них, так как диаграммы других функций могут быть построены по заданной функции путем графического дифференцирования или графического интегрирования.
График перемещения S = S(t) может быть построен по данным, полученным расчетным и экспериментальным путем.
Построение графиков скорости V = V{t) и ускорения a = a(t) по графику перемещения S = S(t) осуществляется методом графического дифференцирования, сущность которого заключается в следующем. Пусть AS - перемещение некоторой точки за малый промежуток времена At (рис. 4.2.1). Проведем секущую хорду - ВС, а из полюса Р, выбранного на оси абсцисс в системе координат V - t на произвольном расстоянии Н от начала координат луч, параллельный ВС, до пересечения с осью ординат. Из полученной точки 1 проводим линию, параллельную оси абсцисс до пересечения с вертикальной линией, опущенной из середины хорды ВС. Полученная точка aj характеризует значение средней скорости движения точка на отрезке пути ВС.
Разделив абсциссу кривой S = S(t) на п частей (с целью повышения точности построения абсциссы отдельных частей кривой, отличающихся резким изменением кривизны, рекомендуется делить на более мелкие части) последовательно выполняется описанное выше нахождение точек аі, аг, аз... щ. Соединив полученные точки плавной кривой, получим функцию скорости движения точки от параметров времени t График ускорения a = a(t) движения точки строится аналогично, путем дифференцирования графика скорости. При этом новое полюсное расстояние Н] может отличаться от полюсного расстояния Н.
Целью проведенного исследования является определение изменения скорости переносного движения за цикл раскладки нити при перематывании и исследование влияния скорости переносного движения нити при перематывании на строение паковки, линейную скорость перематывания.
По экспериментальным данным, представленным в таблице 4.2.1.1, был построен график перемещения нити относительно угла поворота за цикл раскладки нити на паковке S = S(a) (Масштаб 1:4). Под циклом раскладки нити на паковку понимался период, после которого нить приходит в исходную точку наматывания. Далее, используя метод графического дифференцирования, был построен график скорости переносного движения нити при перематывании V = V(a) и график ускорения а = а{а).
