Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса 12
1.1. Общие положения 12
1.2. Физико-технические методы очистки 15
1.2.1. Очистка в органических растворителях 15
1.2.2. Очистка в щелочных растворителях 16
1.2.3. Комбинированная очистка 16
1.2.4. Травление 17
1.2.5. Струйная и пароструйная очистка 18
1.2.6. Электрохимическая очистка 19
1.3. Ультразвуковой метод очистки 21
1.4. Характеристика загрязнений 27
1,4.1. Виды и свойства загрязнений 27
1.5. Кавитация 29
1.5.1. Кавитационная прочность 29
1.5.2. Динамика кавитационной полости 33
1.5.3. Кавитационная область 39
2. Теоретические основы иитенсификаци процесса регенерации фильтроэлементов в комплексном акустическом поле 46
2.1 Гипотеза о форме комплексного вектора колебаний 46
2.2 Методология установления закономерностей, характеризующих эрозионную эффективность комплексного акустического поля в жидкости при ультразвуковой очистки 51
2.2.1. Определение эрозионной активности единичного кавитационного пузырька в случае использования одного источника колебаний 51
2.2.2 Влияние звукового давления на пульсацию кавитационной полости 56
2.2.3 Нахождение эрозионной активности единичного кавитационного пузырька в случае использования комплексного акустического поля 59
2.3. Оценка эффективности регенерации, ударные волны при 63
кавитации
2.3.1. Определение величины давления в ударной волне 63
2.3.2. Результаты численных решений уравнений пульсаций 65 кавитационной полости
ВЫВОДЫ 70
3. Методика проведения исследований 73
3.1 Этапы экспериментальных исследований 73
3.1.1. Оптимизация режимов очистки 73
3.1.2. Исследование структуры нетканых синтетических фильтров 73
3.1.3. Исследование эрозионной активности комплексного акустического поля 74
3.1.4. Исследование влияния моющих растворов на качество регенерации фильтроэлементов в комплексном ультразвуковом поле 74
3.2 Аппаратура, установки, образцы 74
3.2.1, Установка для регенерации фильтроэлементов 74
3.2.2, Образцы 78
3.2.3, Измерительная аппаратура 79
3.3. Планирование эксперимента и обработка полученных данных 80
4. Планирование и обработка результатов эксперимента
4.1 Исследование влияния величины сдвига фаз между колебаниями на интенсивность процесса очистки
4.1.1 Условия экспериментальных работ 84
4.1.2. Методика проведения эксперимента 85
4.1.3. Обработка результатов эксперимента 87
4.1.4. Анализ полученных результатов 96
4.2. Влияние моющих растворов на качество регенерации 97
4.2.1. Механизм действия моющих растворов 97
4.2.2. Обработка экспериментальных данных 106
4.2.2.1. Условия экспериментальных исследований 106
4.2.2.2. Планирование эксперимента 107
4.2.2.3. Обработка экспериментальных данных 107
4.2.3. Исследование структуры и топографии поверхностей 119
4.2.3.1. Особенности проведения эксперимента и используемого оборудования
4.2.4. Анализ полученных результатов 136
5. Технологический процесс очистки фильтров 137
5.1. Аналитический расчет оптимальных режимов ультразвуковой очистки фильтроэлементов
5.2. Автоматизированная система управления технологическим процессом регенерации фильтроэлементов
5.2.2. Алгоритм функционирования системы АСУ 144
5.3. Особенности объекта исследований 146
Заключение и общие выводы 152
Список литературы
- Очистка в органических растворителях
- Методология установления закономерностей, характеризующих эрозионную эффективность комплексного акустического поля в жидкости при ультразвуковой очистки
- Исследование структуры нетканых синтетических фильтров
- Влияние моющих растворов на качество регенерации
Введение к работе
Актуальность работы. Современная техника характеризуется все возрастающими требованиями к таким характеристикам изделий как качество, надежность и долговечность, которые в значительной степени зависят от состояния рабочей среды, ответственность, за формирование которой лежит на различных системах очистки. Конструкции, которых постоянно усложняются, поэтому обычные «классические» методы их очистки уже не в состоянии обеспечить надлежащего качества регенерации
Проблема создания универсального высокотехнологического процесса очистки материалов филыроэлементов однократного применения от всевозможных органических и неорганических загрязнений наиболее остро стоит как перед отечественным, так и зарубежным машиностроением. Ведь решение данной проблемы позволит не только резко увеличить экономическую эффективность производства, но и улучшить общую экологическую ситуацию современных мегаполисов.
Одним из инструментов решения поставленной проблемы может стать интенсификация процесса ультразвуковой очистки пористых и нетканых синтетических материалов филыроэлементов систем воздушного снабжения, путём использования сложного акустического поля реализованного двумя квазикогерентными источниками ультразвуковых колебаний (УЗК).
В связи с этим актуально проведение специальных исследований, связанных с целенаправленным управляемым воздействием трансформируемых ультразвуковых колебаний на процесс электрофизикохими-ческой регенерации фильтроэлементов систем воздушного снабжения с целью улучшения качества и производительности процесса очистки.
Цель работы сформулирована следующим образом: повышение производительности и качества регенерации нетканых синтетических фильтроэлементов систем воздушного снабжения путем интенсификации процесса очистки в сложном акустическом поле.
Научная новизна работы заключается в обобщении теоретических и экспериментальных исследований физических процессов и явлений, протекающих под действием УЗК, ответственных за формирование параметров качества и производительность в рамках технологического процесса электрофизикохимической регенерации фильтроэлементов систем воздушного снабжения нетканых синтетических материалов. Научную основу этого процесса составили новые теоретические положения и результаты экспериментальных исследований, наиболее существенные из которых выносятся на защиту:
физическая сущность процессов и явлений, ответственных за направленную трансформацию поверхностей и структур фильтроэлементов с прогнозируемыми свойствами и их взаимосвязь в рамках рассматриваемого процесса; -
теоретические основы эрозионной активности сложного ультразвукового поля на основе модифицированных уравнений кавитацион-ной полости Херинга-Флина
обобщенная математическая модель, описывающей изменение амплитуды давления ударной волны (в условии комплексного акустического поля) при схлопывании кавитационной полости.
гипотезы о форме комплексного вектора колебаний, формируемом двумя квазикогерентными источниками ультразвуковой энергии.
Методика исследования. Основные результаты работы получены путем теоретических и экспериментальных исследований. В связи с многообразием связей между комплексными УЗК, процессами и явлениями, ответственными за формирование, как структуры технологического процесса, так и параметров качества изделий, в необходимых
случаях применялся метод математического моделирования с использованием возможностей современной вычислительной техники. В тех случаях, когда современный уровень развития позволял провести математический анализ процесса, использовались детерминированные математические модели, основанные на описании явлений в виде причинно-следственного выражения и позволяющие проводить математический эксперимент. При описании влияния изменения параметров комплексных УЗК на ход технологического процесса и конечные свойства изделий, когда выражение связен в детерминированной форме практически невозможно, использовался кибернетический подход к исследованию процессов с установлением формальных связей на основе математико-статистических моделей оптимального планирования эксперимента.
Практическая ценность работы состоит в создании базы для решения важной задачи и по целенаправленному созданию новых высококачественных технологических процессов и интенсификации существующих, на основе использования энергии УЗК. Реализация этой практической задачи обеспечена разработкой комплекса новых научно-технических решений:
разработана система управления процессом электрофизикохи-мической регенерации нетканых синтетических материалов филыро-элементов систем воздушного снабжения;
предложены рекомендации по оптимизации акустических параметров при электрофизикохимической регенерации филыроэлементов систем воздушного снабжения;
разработан новый технологический процесс регенерации фильтроэлементов систем воздушного снабжения.
Апробация результатов исследования. Основные положения работы докладывались на: VI международных научно-технической конференциях по динамике технологических систем, Ростов-на-Дону, 2001: Межрегиональной научной и технико-технологической конферен-
ции «Техническая база развития регионального машиностроения», Ростов-на-Дону, 2002; Всероссийской конференции студентов и аспирантов по технической кибернетике по технической кибернетике, радиоэлектроники и системам управления, Таганрог, 2003; ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава сотрудников и студентов ДГТУ, Ростов-на-Дону, 2001-2003.
Реализация результатов работы заключалась в производственной отработке технологии и оборудования, промышленных испытаниях регенерированных фильтроэлементов; создании технической и нормативной документации; внедрении разработки и оценке ее технологической эффективности.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ.
Структура и работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы, приложений. Диссертация изложена на 185 страницах, содержит 44 рисунков и 33 таблиц, список-литературы из 153 источников, 4 приложений.
Очистка в органических растворителях
Для более эффективной очистки поверхности потребовались комбинированные способы, предусматривающие очистку в органических растворителях и в водных моющих растворах. Примером может служить эмульсионный способ очистки [5-8].
Эмульсионные обезжиривающие составы обладают высокой растворяющей способностью, поэтому в процессе эмульсионной очистки с металлической поверхности полностью удаляются различные масла, смазки и неорганические загрязнения.
Очистка в эмульсионных составах существенным образом отличается от очистки в органических растворителях и в щелочных обезжиривающих растворах. В эмульсиях одновременно с растворением масляных загрязнений органическими растворителями происходит эмульгирование этих загрязнений. Снижение вязкости масляных загрязнителей при их растворении органическими растворителями облегчает процесс эмульгирование, в результате которого капли эмульсии не загрязняют уже отмытую поверхность.
Решающую роль в эмульсионной очистке принадлежит ПАВ. Наличие поверхностно-активных веществ одновременно в виде водного раствора и раствора в органическом растворителе способствует быстрой и полной смачиваемости поверхности моющим составом и удалению загрязнений с поверхности в моющую ванну. В результате одновременного воздействия органического растворителя и водного моющего раствора значительно повышается эффективность очистки.
Травление обычно следует за обезжириванием и служит для удаления окалины окисных пленок и ржавчины в водных растворах минеральных кислот [1 1-13].
Процесс травления металла идет при наличии пор и трещин окалины, куда проникает раствор кислоты. Зачастую для травления стали используют раствор серной кислоты, но в некоторых случаях, например, для удаления окалины, перед эмалированием или металлизацией в растворах, производят травление стали в соляной кислоте. Преимуществом соляной кислоты пред серной является лучшее качество поверхности, меньшая опасность перетрава, а также большая скорость процесса при низшей температуре. Концентрация используемой соляной кислоты 10-20 % , температура 20 С. Предельная низшая концентрация раствора 5%, предельное содержание растворенного железа 100 г/л.
Удаление ржавчины с поверхности стальных деталей иногда производят при травлении в фосфорной кислоте. При ее применение меньше опасность перетрава, отсутствует необходимость применения ингибиторов, поверхность после травления менее склонна к коррозии металла, а в некоторых случаях на ней образуется пассивная пленка. Однако травление в этой кислоте не получило широкого применения ввиду высокой ее стоимости. 1.2.5 Струйная и пароструйная очистка
Эффективность обезжиривания в щелочных растворах значительно повышается при струйной обработке изделий в моечных машинах. Этот способ получил широкое распространение в машиностроении за последние годы [14-16]. Моющая жидкость подается в струйные камеры под давлением 1,5-2,0 атм. Детали должны пройти предварительную очистку, предусматривающую удаление основного количества жировых загрязнений, В связи со значительными капиталовложениями применение струйного метода оправдано только в условиях массового производства. Струйные установки бывают самых различных конструкций. Они могут представлять собой простые устройства для промывки детали в одной ванне или конвейерные агрегаты, в которых детали непрерывно перемещаются в последовательно смонтированных секциях обезжиривания, промывки, травления, пассивации и т. д.
Для перемещения деталей в струйных установках наиболее часто применяются горизонтальные конвейерные и подвесные моиорельсовые линии. Обычными приспособлениями для подачи моющего раствора являются закрепленные форсунки или шлицованные патрубки, с помощью которых раствор может стекать на детали под постоянно меняющимся углом; вращающиеся колеса, которые создают в растворе волны, омывающие детали. Моющий раствор подается под избыточным давлением 0,5-2 атм.
В случае применения струйной очистки моющие растворы можно подавать при пониженном давлении (0,1-0,7 атм.) и при повышенном расходе, это часто дает хорошие результаты.
Для очистки крупных объектов в зарубежной практике широко применяется метод пароструйной очистки. Этот метод заключается в подаче горячего моющего раствора вместе с некоторым количеством перегретого пара под действием избыточного давления от 3 до 10 атм. Раствор подается дозирующим устройством через распылительную головку, в которой происходит его смешивание с паром.
Методология установления закономерностей, характеризующих эрозионную эффективность комплексного акустического поля в жидкости при ультразвуковой очистки
Изучение механизма ультразвуковой очистки с помощью высокоскоростной киносъемки позволяет достаточно четко восстановить картину разрушения поверхностных пленок в звуковом поле [88-93], но не дает каких-либо количественных закономерностей, характеризующих эрозионную эффективность звукового поля в жидкости.
Для установления этих закономерностей и определения влияния свойств жидкости и параметров звукового поля на интенсивность кавитации широко используется метод эрозионных тестов [108]. Достоинство этого метода заключается в возможности получения информации об эффективности эрозионного воздействия совокупности кавитационных пузырьков в любой малой области объема жидкости. Но метод эрозионных тестов не свободен от недостатков, главные из которых - большая трудоемкость исследований, а также значительная погрешность измерений. Результаты, полученные различными исследователями, определявшими по убыли веса алюминиевых образцов влияние свойств жидкости и параметров поля на интенсивность кавитации, нередко противоречивы. Результаты исследований трудно сравнимы из-за отсутствия единых требований к образцам-эталонам и методике измерений.
Метод эрозионных тестов не позволяет разделить влияние таких физических свойств как плотность р7 упругость пара Р„ и вязкость р на эрозионную активность жидкости, так как изменение одного из этих свойств в достаточно широких пределах возможно лишь при значительном одновременном изменении остальных свойств жидкости. Из физических свойств жидкости только поверхностное натяжение можно существенно изменять, добавляя небольшие количества поверхностно-активных веществ, не меняя при этом остальные свойства жидкости.
В свете этих соображений особый интерес представляют теоретические методы оценки эрозионной эффективности звукового поля и эрозионной активности жидкости. Целесообразно начать разработки теоретических методов расчета оптимальных технологических режимов с установления критерия оценки эрозионной активности для единичного кавитационного пузырька.
В литературе [61] было предложено считать критерием эрозионной активности единичного пузырька отношение мощности, затраченной па образование ударной волны, к мощности, запасаемой единичным пузырьком в течение одного периода колебаний.
Если считать, что вся работа, затраченная на рост пузырька до /?mti„ а также его сжатие до Rmin расходуется, затем, на образование ударной волны и пренебречь потерями звуковой энергии на сонолюмииесценцию и другие явления, сопутствующие ультразвуковой кавитации, то критерием эрозионной активности является величина T(TQ, где Т— период колебаний, а То - время, в течение которого накопленная энергия переходит в энергию ударной волны.
Величина То очень мала и не поддается вычислению даже на ЭВМ. Сделанные в [61] оценки приведены в форме, выявившей роль звукового и статического давлений, но не позволяющей судить о влиянии параметров жидкости. Чтобы устранить трудности, связанные с вычислением г«, целесообразно переписать выражение для этого критерия, заменив г« через рэлеевское время захлопывания Дг, так как последняя величина [4] поддастся приближенным теоретическим расчетам. Величина т , определяется из уравнения [61]: К7Л„ mm (2.2.1) где . Р м — давление парогазовой смеси в пузырьке при R = Rmin. Величину Р т можно определить, приравняв работу внешних сил в стадии захлопывания к работе, производимой сжатым газом. Работа, производимая сжатым газом при адиабатическом сжатии, определяется выражением [115-120]:
Исследование структуры нетканых синтетических фильтров
При экспериментальном изучении структуры фильтроэлемента состояния внутренних волокон и поверхностных слоев фильтроэлемента применялся целый комплекс современных методов исследований: оптическая микроскопия и системы диагностики состояния материала с качественной оценкой результатов.
Исследование влияния режимов регенерации фильтроэлементов на изменение структурного состава проводилось с помощью микроскопа «БИОЛАМ»
Особое место в данной работе отводится исследованию влияния оптимального режима регенерации и эрозионной активности комплексного ультразвукового поля на материал испытуемых образцов.
Исследование влияния моющих растворов на качество регенерации фильтроэлементов в комплексном ультразвуковом поле
Не маловажную роль в процессе электрофизикохимической регенерации не тканных синтетических фильтроэлементов играет среда очистки. При использовании моющих растворов изменяется физико-механические параметры жидкости, которые в свою очередь изменяют параметры кавитационного поля и улучшают качество очистки поверхностей фильтроэлементов. Поэтому главной задачей при проведении данных исследований, ставилось выявление моющего раствора реализующего наилучшую количественную и качественную степень очистки фильтроэлементов в комплексном ультразвуковом поле
Согласно ранее представленным этапам экспериментальных исследований, необходимо провести широкий спектр исследований, начиная от получения оптимальных режимов отчистки фильтроэлементов и заканчивая возможностью прогнозирования эксплуатационных свойств регенерируемой продукции. При этом такие исследования требуют использования специализированной, оригинальной аппаратуры.
Станция для регенерации фильтроэлементов является гибкой ячейкой автоматизированного производства благодаря своей универсальности, малым габаритным размерам и новой оригинальной модификации ее системы управления. По своим технико-экономическим показателям и качеству отчистки волокон фильтроэлементов она значительно превосходит варианты существующего технологического оборудования отчистки. Структурная схема станции отчистки нетканых синтетических фильтроэлементов представлена на рис. 3.2.
Преобразователь состоит из следующих основных элементов: - активного элемента (двигателя), выполненного в виде замкнутого магнито про вода (пакета) из штампованных 0-образных пластин т железокобальтового сплава 49К2Ф (пермендюра), имеющих габаритные размеры 106.5x30x0.2 мм, набор пакета 30 мм. На пакет намотана обмотка проводом МЛТП-0.75 по 31 витку на каждый стержень - обмотка возбуждения; согласующего волновода (концентратора), выполненного из стали 40Х в виде стержня, состоящего из двух цилиндрических участков. - системы охлаждения активного элемента, состоящего из стального стакана с двумя штуцерами. Один штуцер служит для входа воды, другой - для выхода, расход воды (3 0.5) л/мин.
На обмотку возбуждения преобразователя от генератора подаются два напряжения - постоянное и переменное, под воздействием которых в этой обмотке протекает постоянный ток поляризации (подмагничивания) и переменный ток возбуждения, создающие в пакете постоянный и переменный магнитные потоки. Под воздействием этих потоков пакет изменяет свои линейные размеры с частотой, равной частоте переменного тока возбуждения. Таким образом, в пакете (двигателе) возникают продольные механические колебания.
Для проведения экспериментальных исследований было подготовлено три типа образцов согласно этапам экспериментальных исследований. Первый тип образцов изготавливался в виде куба из сплава Вуда со стороной рапной, а=10 мм. На одной из сторон куба наносится порядковый знак. Далее производится измерение массы образца по стандартной методике на аналитических весах WA-33. Затем испытуемый образец помещается в фокальную область обоих излучателей примерно на одинаковом расстоянии от центров излучателей. После эксперимента определяется величина изменения массы. По ее значению и производится оценка интенсивности кавитации. Измерения для каждого образца проводятся не менее трёх раз для исключения возможной методической погрешности.
Второй тип образцов был изготовлен из конденсаторной фольги толщиной 10 мкм в виде прямоугольных пластинок размером 20x20 мм. Для исследования влияния различных режимов обработки в продольном и комплексном ультразвуковых полях с целью установления основных закономерностей и характера кавитационных разрушений при помощи микрофотосъемки поверхности образцов до и после обработки.
Третий тип образцов был изготовлен из отработанного материала фильтроэлемента. Они вырезались из соответствующих участков фильтра, в областях однотипного загрязнения, размером 20x20 мм. Далее исследования проводились, так же как и для первого типа образцов. Абсолютно аналогично находилась эрозионная эффективность ультразвукового поля в среде различных моющих веществ.
Влияние моющих растворов на качество регенерации
Анализируя данные таблицы 4.1.7, приходим к выводу, что в случае использования одного источника колебаний все коэффициенты уравнения регрессии значимы, т.к. все значения доверительных интервалов больше табличного значения. Результаты измерений массы являются достаточно достоверными, а построчные дисперсии однородны, поскольку значение проверочного коэффициента по критерию Кохрена меньше табличного значения. Полученная интерполяционно-регрессионная модель является адекватной согласно критерию Фишера. Аналогичные выводы можно сделать и на основе анализа данных таблиц 4.1.8-4.1.10. Сравнивая полученные зависимости по графикам на рисунках 4.1.1-4.1.8, приходим к выводу, что максимальная интенсивность очистки достигается при использовании комплексного акустического поля от двух преобразователей в прямо пропорциональной зависимости от величины сдвига фаз между колебаниями. Причем, наилучшие результаты получены для значения сдвига фаз равного 90. Данный факт объясняется тем, что значение критерия эрозионной активности находиться в пропорциональной зависимости от максимального радиуса кавитационной полости в стадии се расширения и времени ее схлопывания, а эти величины в свою очередь пропорционально изменяются с ростом сдвига фаз от 0 до 180, и достигают максимальных значений при ф=90.
Сравнительный анализ эрозионной эффективности комплексного ультразвукового поля и продольного, позволил установить, что значение кавитационной эрозии выше в 4 раза для случая использования квазикогерентиых источников ультразвуковой энергии.
Таким образом, имеются как теоретические, так и практические факты, которые подтверждают значительную интенсификацию процесса очистки в случае использования комплексного акустического поля.
В большинстве работ, посвященных моющему действию, делаются попытки решить задачу выявления механизма моющего действия с помощью термодинамики и определяющим признается выигрыш энергии при переводе зафязнений с очищаемой поверхности в моющий раствор. Реально, процесс протекает во времени и не является равновесным, следовательно, он должен подчиняться кинетическим уравнениям, в которых термодинамические функции определяют только энергию активации. Моющее действие относится к сложным процессам, которые включают в себя ряд простых. Для выяснения полной картины такого процесса необходимо его постадийное изучение с выявлением механизма каждого акта.
В отношении моющего действия нет единых классификаций элементарных актов. Мы даем классификацию, которая нам представляется наиболее логичной. Все акты можно разделить на два класса: непосредственно обеспечивающие моющее действие и вспомогательные, обеспечивающие оптимальные свойства моющих композиций: 1. Смачивание поверхности и вытеснение загрязнении; 2. Диспергирование жидких загрязнений; 3. Стабилизация в растворе отдельных загрязнений; 4. Защита твердой поверхности; 5. Солюбилизация; 6. Химическое разложение загрязнений; Вспомогательные акты: 7. Пенообразование; 8. Связывание солей жесткости; 9. Ингибирование коррозии; 10. Гидротропия; 11. Высаливание ПАВ; 12. Регулирование рН среды; 13. Эстетика композиции (отдушки и красители); 14. Акты и компоненты, придающие композиции нужную форму. Первым и важнейшим актом является смачивание поверхности моющим раствором или растворителем (чаще всего водой) и при этом имеет место вытеснение загрязнения. Термодинамика этого процесса изучалась достаточно подробно и имеются критерии и уравнения. Основным критерием является работа вытеснения (Wm) равная разности работ адгезии к отмываемой поверхности загрязнения и моющего раствора:
