Содержание к диссертации
Введение
I. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования 11
1.1 Роль операции очистки в технологическом процессе производства изделий 11
1.2 Анализ операций очистки на машиностроительных предприятиях 17
1.3 Оценка эффективности процесса очистки изделий погружением и способы его интенсификации 21
1.4 Кавитация и кавитационная очистка 33
1.5 Выводы. Цель и задачи исследования 40
II. Исследование процесса гидродинамической кавитационной очистки 45
2.1 Механизм адгезии загрязнений на поверхностях деталей 45
2.2 Кавитационное воздействие на загрязненную поверхность 53
2.3 Выводы 67
III. Совершенствование процесса гидродинамической кавитационной очистки поверхностей деталей путем локального аэрирования технологической среды 68
3.1 Исследование условий возникновения гидродинамической кавитации путем компьютерного моделирования 68
3.2 Экспериментальное исследование процесса гидродинамической кавитации 74
3.2.1 Методика экспериментальных исследований 74
3.2.2 Анализ и оценка результатов исследования 77
3.3 Технологическое обеспечение процесса гидродинамической кавитации локальным аэрированием 78
3.4 Исследование кавитационных потоков жидкости при аэрировании 90
3.5 Выводы 95
IV. Экспериментальное исследование процесса очистки поверхностей деталей от масляных загрязнений 97
4.1 Методика проведения экспериментальных исследований 97
4.2 Анализ и оценка результатов исследования 105
4.3 Выводы 116
V. Разработка методики назначения технологических режимов гидродинамической кавитационнои очистки. технико-экономическое обоснование 119
5.1 Разработка методики назначения технологических режимов гидродинамической кавитационной очистки деталей с аэрированием 119
5.2 Оценка технико-экономической эффективности внедрения технологии гидродинамической кавитационной очистки с аэрированием при модернизации существующего оборудования 123
5.3 Выводы 125
Заключение 127
Список использованной литературы 129
Приложения 142
- Оценка эффективности процесса очистки изделий погружением и способы его интенсификации
- Исследование условий возникновения гидродинамической кавитации путем компьютерного моделирования
- Анализ и оценка результатов исследования
- Разработка методики назначения технологических режимов гидродинамической кавитационной очистки деталей с аэрированием
Оценка эффективности процесса очистки изделий погружением и способы его интенсификации
Очистка поверхности деталей погружением в очищающую среду довольно широко распространена в промышленности [72, 96]. Это вызвано определенными преимуществами способов погружения по сравнению со способами подведения технологической среды (струйная очистка): простота конструкции оборудования, удобство и экономичность его эксплуатации; лучшая очистка изделий сложной конфигурации поверхности; возможность использования высокоэффективных очищающих растворов, в том числе вредных и агрессивных; меньшая энергоемкость процесса очистки; меньшие теплопотери; наибольшая экономичность (с точки зрения внедрения в производство) [52, 60, 100]. Совершенствование метода погружения в раствор за счет различных технических новинок позволяет значительно повысить ею энергоэффективность для процесса очистки и применять как самостоятельный способ очистки и в качестве предварительной подготовки моющего раствора.
Сложность процессов и явлений, протекающих при очистке, не позволяют получить зависимости, пригодные для расчета всех составляющих эффективности работы по отделению загрязнений от очищаемой поверхности. Поэтому основные расчеты технологии и оборудования очистки выполняют на основе эмпирических зависимостей.
Общими зависимостями эффективности для процесса очистки являются: скорость очистки (количество загрязнений, удаляемых с поверхности в единицу времени), затрачиваемая энергия, работа очистки, количество оставшихся после очистки загрязнений, основное время очистки.
Скорость очистки в течение всего процесса удаления загрязнений непрерывно изменяется, уменьшаясь по мере снижения загрязненности поверхности. Для расчета очистных процессов и машин необходимо знать функциональную зависимость скорости очистки от времени. Эта зависимость сложна, и аналитические методы ее определения пока не найдены. Практически скорость очистки приходится определять экспериментально при определенных условиях процесса очистки [54]. На скорость очистки влияют следующие основные факторы:
1) природа загрязнения (химический состав, прочностные и реологические свойства);
2) количество загрязнений (начальная загрязненность поверхности, количество загрязнений, допустимое на поверхности после очистки, требования к равномерности распределения по поверхности остаточной загрязненности);
3) вид поверхности (материал, шероховатость, размеры и конфигурация поверхности);
4) технологическая среда (состав, концентрация, температура);
5) характер и параметры взаимодействия технологической среды с поверхностью (скорость и размерные параметры потока, кавитационные явления и проч.) [52, 53, 54, 72].
Таким образом, основополагающим технологическим параметром операции очистки является основное время.
Существующие методики расчета требуемого времени очистки зачастую очень сложны и не в полной мере отражают действительную картину процесса при влиянии сопутствующих факторов физико-химического действия технологической среды.
Очистка поверхности деталей связана с энергией действия технологической среды на разрушение загрязнений (преодоление прочностных, когезионных сил) и на удаление загрязнений с поверхности (преодоление удерживающих, адгезионных сил). В общем, работа очистки А0 складывается из работы Ас,ж, совершаемой очищающей средой за счет своей физико-химической активности, и работы Лм, связанной с механическим воздействием среды на разрушение загрязнения и его связи с поверхностью
Для достижения одинакового эффекта очистки требуется или более активная технологическая среда, или больше механической энергии.
Работа Афк зависит от очищающей активности среды - вида среды (раствор синтетических моющих средств, растворитель, растворяющс-эмульгирующее средство), ее концентрации и температуры. Технологические среды отличаются друг от друга по своему очищающему действию в 10-50 раз, а повышение температуры на 10-15 С увеличивает скорость очистки в 1,5-2 раза [54].
Работа Ам зависит от механической активации процесса очистки (струи, вибрация, ультразвуковые колебания, кавитациоиные воздействия и т.п.). Способы интенсификации по воздействию на скорость очистки отличаются друг от друга в 2-25 раз.
Правильный выбор физико-химической активности технологической среды, ее температуры и соответствующей механической акіивации процесса позволяет в 10-100 раз ускорить очистку [52, 53, 54].
Внутренняя интенсификация процесса очистки являєіся наиболее целесообразным способом повышения производительности, увеличения скорости и сокращения времени обработки, повышения экономичности (расхода энергии, моющих средств и проч.), улучшения качественных показателей очищенных деталей.
Для ускорения процесса очистки применяют различные способы интенсификации в зависимости от технологических и экономических соображений: повышение температуры и давления очищающей среды (или деталей), перемешивание растворов, наложение ультразвуковых колебаний, кавитациоиная и вибрационная активация технологической среды, поддержание постоянства растворов и повышение их активности и др. (рисунок 1.4).
Термохимическое разложение загрязнений - процесс сгорания загрязнений в пламени или в щелочном расплаве при высокой температуре (400-450 С), объемные и структурные изменения загрязнений. Хотя имеет большую скорость и высокое качество очистки, но может применяться только для небольшой группы загрязнений, а высокая энергоемкость и возможные температурные деформации деталей делают ею нецелесообразным в повсеместном использовании.
Активация технологической среды затопленными струями (насосами, винтами, сжатым воздухом) - рациональный способ повышения производительности операции очистки за счет движения потоков высокой скорости, перемешивания или циркуляции раствора. Перемешивание растворов приводит к повышению скорости протекания процессов, к обмену раствора в малодоступных местах, в которых могут откладываться загрязнения. Большая скорость потока раствора существенно уменьшает продолжительность удаления загрязнений. В ряде случаев очистки в щелочных растворах при циркуляционной химической обрабоїкс применяют аэрирование раствора, что влияет на скорость обработки сильнее, чем движение раствора [97].
Исследование условий возникновения гидродинамической кавитации путем компьютерного моделирования
Для исследования условий возникновения гидродинамической кавитации принято решение использовать компьютерное моделирование в современных пакетах автоматизированного инженерного анализа SolidWorks FloSimulation.
Данная разработка ведущих специалистов в области САЕ и EFD систем базируется на последних достижениях вычислительной газо- и гидродинамики и позволяет рассчитывать широкий круг различных течений: двумерные и трехмерные, ламинарные, турбулентные и переходные, несжимаемые, сжимаемые, с до-, транс- и сверхзвуковыми областями; стационарные и нестационарные течения многокомпоненшых текучих сред в каналах и/или вокруг тел, с учетом гравитации, пограничного слоя, в том числе с учетом шероховатости стенок, с теплообменом между текучей средой и твердым телом; течения через рассредоточенные сопротивления; двухфазные течения как движение газовых частиц в потоке текучей среды.
В основе математической модели FloWorks [12] лежат уравнения Навье-Стокса, описывающие в нестационарной постановке законы сохранения массы, импульса и энергии этой среды. Кроме того, в предложенном программном продукте используются уравнения состояния компонентов текучей среды, а также эмпирические зависимости вязкости и теплопроводности этих компонентов среды от температуры. Этими уравнениями моделируются турбулентные, ламинарные и переходные течения. Для моделирования турбулентных течений упомянутые уравнения Навье-Стокса осредняются по Рейнольдсу, г.с. используется осредиенное по малому масштабу времени влияние турбулентности на параметры потока, а крупномасштабные временные изменения осредненных по малому масштабу времени составляющих газодинамических параметров потока (давления, скоростей, температуры) учитываются введением соответствующих производных по времени. В результате уравнения имеют дополнительные члены - напряжения по Рейнольдсу, а для замыкания этой системы уравнений в FloWorks используются уравнения переноса кинетической энергии турбулентности и ее диссипации в рамках- модели турбулентности.
Для нахождения искомого численного решения задачи непрерывная нестационарная математическая модель физических процессов, используемая в FloWorks, дискретизируется как по пространству, гак и по времени.
Чтобы выполнить дискретизацию по пространству, вся расчетная область покрывается расчетной сеткой, грани ячеек которой параллельны координатным плоскостям используемой в расчете декартовой глобальной системы координат модели в SolidWorks. Поскольку в FloWorks используется метод конечных объемов, значения независимых переменных рассчитываются в центрах ячеек, а не в узлах расчешой сетки. Используемая в FloWorks расчетная сетка описывается ее ячейками, а не узлами, как в методах конечных разностей. Для разрешения обласіей с большими градиентами физических параметров текучей среды или температуры твердого тела используются процедуры дробления ячеек сетки как до начала расчета, так и во время расчета.
Чтобы выполнить дискретизацию по времени, для каждой ячейки расчетной сетки в расчетной области из условия Куранга определяется допустимый максимальный шаг по времени, зависящий как от значений физических величин, так и от шага дискретизации по пространству в этой ячейке. При дискретизации по времени используется метод расщепления операторов для более эффективного расчета давления и скорости. Давление рассчитывается в результате решения дискретного эллиптического уравнения, полученного алгебраическими преобразованиями дискретных уравнений сохранения массы и импульса с учетом граничных условий для скорости. Решение ищется с помощью специально разработанного итерационного метода с использованием многосеточного метода [5] для ускорения сходимости.
Проведенный анализ возможностей пакетов инженерного анализа SolidWorks FloSimulation показал, что данное программное обеспечение может быть использовано для исследования.
Для моделирования с учетом анализа научно-технической и патентной информации, выбрано 28 различных моделей препятствий, обеспечивающих различные криволинейные течения жидкости и получение гидродинамической кавитации.
Построение моделей осуществлялось в среде SolidWorks с последующим анализом с использованием приложения Flow Simulation.
Граничные условия задавались путем определения и указания определенных параметров входа и выхода. В частности, входа - массового расхода жидкости (воды при 20 С) через входное проходное сечение, выхода - статического (атмосферного) давления. Массовый расход жидкости варьировался от 4 до 8 кг/с и зависил от требуемого постоянства давления на входе, что соответствует производительности насосного агрегата Saer IR50-200B на проходном сечении площадью 314,16 мм, который планировался использовать в экспериментальных исследованиях.
Исследовался перепад давлений в потоке жидкости, проходящей препятствие по сечению устройства.
9 Полученные критерии течения жидкости через различные виды препятствий позволили выявить наиболее отличающиеся между собой и, с учетом их последующей экспериментальной проверки, выделить 10 видов (для этого определены необходимые габаритные размеры и параметры проходного сечения). Модели препятствий представлены на рисунке 3.1.
Зная, что процесс очистки можно интенсифицировать путем аэрирования (добавления воздуха) и что принцип гидродинамической кавитации основывается на местном понижении давления в потоке жидкости, предложено использовать перепад давлений в потоке жидкости не только для кавитации, но и для эжектирования атмосферного воздуха (локального аэрирования технологической среды), т.е. найдена возможность повышения эффективности процесса гидродинамической кавитационной очистки, заключающаяся в его интенсификации путем одновременного воздействия кавитации, перемешивания и аэрирования без дополнительных энергетических затрат.
Для дальнейшего исследования необходимо было определить, какая организация течения жидкости является наиболее энергоэффективной и позволяет проводить локальное аэрирование жидкости.
Для оценки энергоэффективности использовано число кавитации, рассчитывающееся по формуле (1.4). Полученные результаты представлены на рисунке 3.3.
Анализ и оценка результатов исследования
Обработка полученных данных проводилась с использованием ЭВМ, далее представлены результаты опытов в виде графических зависимостей и таблиц.
Зависимости продолжительности очистки образца из стали (Сталь45) при изменении температуры, концентрации NaOH и степени аэрирования представлены в таблице 4.3 и на рисунках 4.7-4.9.
Зависимости продолжительности очистки образцов из алюминия (АМгб), бронзы (Бр05Ц6С5), фторопласта (Ф4) и эбонита (марка Б) при изменении температуры, концентрации NaOH и степени аэрирования представлены в приложении.
Экспериментально определено, что увеличение концентрации NaOH приводит к снижению основного времени очистки, а повышение концентрации раствора свыше 1 % (10 г/л) нецелесообразно из-за того, что продолжительность очистки существенно не сокращается, а задача обеспечения качества очистки без перетравливания поверхности становится затруднительной.
Получено, что при гидродинамической кавитационной очисіке с локальным аэрированием досіигаеіся сокращение заіраї основною времени на выполнение операции при увеличении количесіва подаваемою воздуха. Однако качесіво очисіки не досіигаегся при увеличении сіепени аэрирования более 0,286.
Обработка экспериментальных данных выполнялась с применением ЭВМ, найдены коэффициенты регрессии, выполнена проверка их значимости.
После перехода от кодовых обозначений к натуральным найдены коэффициенты регрессии в натуральных обозначениях
В таблице 4.4 приведен пример нахождения коэффициентов регрессии на основе экспериментальных данных продолжительное і и очистки образца из стали.
Экспериментально установлено, что для качественной подготовки поверхности при выполнении операции гидродинамической кавитационной очистки с аэрированием деталей из рассмотренных марок стали, алюминия, бронзы, фторопласта и эбонита в щелочном растворе NaOH от масляных загрязнений рекомендуется выбирать следующие диапазоны технологических режимов: продолжительность очистки t0 = 2,5... 1 мин, концентрация NaOH 0,2-0,4%, температура раствора 40 60 С при степени аэрирования 0,286.
Продолжительность операции для образца из стали в данных диапазонах (при нахождении образца в пределах зоны стабильной кавитации) представлена в таблице 4.6.
Для примера оценки повышения эффективности процесса очистки проведены сравнительные испытания по очистке образцов за 1 мин погружением, циркуляцией раствора, гидродинамической кавитацией и гидродинамической кавитацией с локальным аэрированием технологической среды.
Полученные данные позволяют отметить, что при использовании гидродинамической кавитации с локальным аэрированием технологической среды только за счет экономии на химических средствах снижаются эксплуатационные затраты на осуществление операции очистки в 10 раз по сравнению с очисткой погружением или в 2 раза по сравнению с гидродинамической кавитационной очисткой.
Разработка методики назначения технологических режимов гидродинамической кавитационной очистки деталей с аэрированием
Разработана методика назначения технологических режимов гидродинамической кавитационной очистки с аэрированием, позволяющая подбирать рациональные параметры процесса.
Методика заключается в следующем:
- рассчитывается продолжительность гидродинамической кавитационной очистки по выражению (2.24) или для материалов из рассмотренных в работе по модели (4.1);
- определяются затраты на операцию Qs3aTp, руб. по выражению - подбирается степень аэрирования по соотношению
Реализация предложенной методики осуществляется по алгоритму, представленному на рисунке 5.1.
Принципиальное отличие разработанного алгоритма от существующих методик проектирования технологического процесса очистки деталей заключается в том, что после соответствующего определения характера и стойкости загрязнения, выбора гидродинамического кавитационного оборудования и моющего средства проводится расчет основного времени операции.
При расчете, варьируя параметры температуры и концентрации химического вещества, подбирается требуемое соотношение путем технико-экономического анализа целесообразности их применения по материальным затратам.
Для примера проведен расчет по следующим данным, приведенным в таблице 5.1.
Объем моечного раствора составляет 40 л. По данным на 2012 год средняя стоимость химического вещества (NaOH) - 48,2 руб за 1 кг, цена 1 кВт-ч электроэнергии 3,43 руб.
В соответствии с выражением (5.1) и по данным из таблицы 5.1 составлена расчетная таблица (таблица 5.2).
На основе полученных данных, приведенных в таблице следует, что наиболее рациональными (с экономической точки зрения) режимами процесса очистки являются: степень аэрирования 0,286, продолжительность 1,3 мин, температура 60 С, концентрация NaOH 2 кг/м .
Приведенную методику и алгоритм рекомендуется использовать при проектировании и совершенствовании технологии гидродинамической кавитационной очистки для подбора энергоэффективных и ресурсосберегающих технологических режимов осуществления операции.
