CC BY
36
УДК 676.024.61
А.А. Ерофеева, В.И. Ковалев, Ю.Д. Алашкевич
Сибирский государственный технологический университет
Ерофеева Анна Александровна родилась в 1984 г., окончила в 2007 г. Сибирский государственный технологический университет, аспирант кафедры машин и аппаратов промышленных технологий, ассистент кафедры технологии конструкционных материалов СибГТУ. Имеет 15 печатных работ в области изучения вязкости волокнистых материалов. E-mail: annakrasnoyarsk@rambler.ru
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ДИНАМИЧЕСКОЙ ВЯЗКОСТИ МАКУЛАТУРНОЙ МАССЫ
Предложено для определения коэффициента вязкости макулатурной массы использовать усовершенствованную формулу Ньютона.
Ключевые слова: размол, вязкость, волокнистая суспензия, коэффициент динамической вязкости, скоростные характеристики, макулатурная масса, уравнение Ньютона.
Последнее время предприятия все чаще сталкиваются с проблемой утилизации отходов, в том числе и бумажных. Использование макулатуры - это решение сразу двух проблем: вторичной переработки отходов и создания упаковочных изделий. Поэтому изучение процесса движения волокнистых суспензий, в частности макулатурной массы, а также определение их физических характеристик является весьма актуальным вопросом.
Наибольший интерес представляет определение коэффициента динамической вязкости, поскольку данный физический параметр играет большую роль в расчетах оборудования, перемещающего жидкости по трубопроводам, каналам и рабочим полостям гидравлических машин.
Определение вязкости волокнистых суспензий связано со значительными проблемами, в частности, с невозможностью использования вискозиметров для ньютоновских жидкостей. Одно из наиболее простых решений данной проблемы - использование уравнения Ньютона [5, 6], связывающего между собой вязкость жидкости и скоростные характеристики потока:
(1)
(VI
где ц. - коэффициент динамической вязкости, Па-с; ^сд - сила сдвига, Н; г2 - г1 - расстояние между слоями жидкости, м; VI - у2 - разность скоростей движения соседних слоев жидкости, м/с; ^ - площадь сдвига слоев, м2. Ранее нами было предложено [ 1] модернизированное уравнение Ньютона для определения коэффициента динамической вязкости макулатурной массы (в - вода, м - масса):
F*JMsM
(2)
где I = v1 - у2 - разность скоростей соседних слоев (см. рисунок), м.
В соответствии с рисунком обозначаем скорости движения слоев при ламинарном движении через V. Выбираем две произвольные точки скоростей движения слоев жидкости в потоке (V! и v2) и производим по ним расчет.
Согласно зависимости (2) для определения коэффициента динамической вязкости воды и малоконсистентных волокнистых суспензий необходимо определить их скоростные характеристики, силы и площади сдвига.
Площадь сдвига слоев (см. рисунок) рассчитываем по формуле:
я — 2щ1, (3)
Для определения силы сдвига используем формулу из работы [7]:
= —-У—. (4)
Подставляя (3) и (4) в (2), получаем формулу для определения коэффициента динамической вязкости:
ц'Оъ'-уГ)4
Ц:
м \ 4
(v2M -Vj*)
(5)
где
ц - коэффициент динамической вязкости воды, Па-с (данный параметр при заданной температуре выбирают из справочника [4]); v® - VjB - разность скоростей движения соседних слоев воды, м/с; v™ - V™ - разность скоростей движения соседних слоев макулатуры, м/с.
Таким образом, нами получена формула (5), с помощью которой можно определить коэффициент динамической вязкости волокнистых суспензий, зная их скоростные характеристики.
В целях определения указанных параметров была использована размольная безножевая установка «струя-преграда» [3], разработанная в лаборатории кафедры МАПТ СибГТУ. В качестве исследуемых жидкостей использовали воду и макулатурную массу МС-1 производства ООО «СибБумага» концентрацией 0,5; 1,0 и 1,5 %. Эксперимент проводили в четыре этапа при температуре 25 °С и объеме полости рабочего цилиндра Уц = 0,008 м3.
Для анализа характера распределения скоростей необходимо знать время истечения t объема исследуемой жидкости Уц из насадки, т.е. секундный расход (Q, м /с). Время истечения замеряли с точностью до 0,001 с, используя скоростную видеокамеру и последующую обработку полученных результатов с помощью программы AVI MPEG ASF WMV Splitter.
Схема распределения скоростей жидкости в ламинарном
потоке
О-
г ' 'ср N,
/ ^max X
Ч
V,"
Уг
/ <—
Секундный расход рассчитывали по формуле
V
е = Т' (6)
где ¥ц - объем полости рабочего цилиндра установки, м .
Результаты эксперимента и расчетные данные при Уц = 0,008 м представлены в таблице.
Значение показателя для исследуемой жидкости
Показатель Вода Макулатурная масса концентрацией, %
0,5 1,0 1,5
Время истечения 1, с 15,22 16,02 17,92 19,53
Секундный расход Q, м3/с 0,00052 0,00047 0,00044 0,00041
Скорость* потока в полости установки, м/с:
V2 0,091 0,083 0,077 0,071
VI 0,071 0,064 0,059 0,055
Радиус*, м: Г2 0,033036 0,033426 0,033492 0,033354
Г\ 0,030000 0,030000 0,030000 0,030000
Динамический коэффициент вязкости ц. 0,000894 0,001464 0,001943 0,002711
Пас
*Скоростные характеристики определены по методике [2].
Из данных таблицы следует, что вода имеет наименьшее время истечения и как ньютоновская жидкость обладает наибольшей скоростью истечения (секундным расходом). Для макулатурной массы, при прочих равных условиях, увеличение концентрации рабочей среды приводит к росту времени истечения и снижению скоростей потока. Это связано с тем, что с увеличением концентрации возрастает вязкость исследуемых жидкостей.
Результаты расчета коэффициента динамической вязкости по формуле (5), приведенные в таблице, показывают, что с увеличением концентрации макулатурной массы ц возрастает.
Выводы
1. Впервые рассчитаны скоростные характеристики потока макулатурной массы различной концентрации.
2. Усовершенствована классическая зависимость Ньютона, которая позволяет достаточно точно определить коэффициент динамической вязкости малоконсистентных водных волокнистых суспензий, в частности макулатурной массы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ерофеева А.А., Алашкевич Ю.Д. Коэффициент динамической вязкости волокнистых суспензий // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки: сб. ст. Всерос. науч.-практ. конф. Красноярск: СибГТУ, 2010. Т. 2. С. 89-92.
2. Определение скоростных характеристик течения волокнистых суспензий в каналах / Е.В. Петров [и др.]// Молодые ученые в решении актуальных проблем науки: сб. ст. Всерос. науч.-практ. конф. Красноярск: СибГТУ, 2010. Т. 2. С. 100-103.
3. Пат. 1559026 СССР, D21D 1/34, B02C 19/06. Установка для измельчения волокнистого материала/ А.Г. Лахно, В.Г. Васютин, Ю.Д. Алашкевич, Н.А. Войнов, С.М. Репях; заявитель и патентообладатель СибГТУ. № 4399132; заявл. 28.03.88; опубл. 23.04.90, Бюл. № 15. 6 с.
4. Справочник химика. Т. 1. Л.; М.: Госхимиздат, 1964. 1070 с.
5. Терентьев О.А. Гидродинамика волокнистых суспензий в целлюлозно-бумажном производств. М.: Лесн. пром-сть, 1980. 248 с.
6. Физический энциклопедический словарь / Под ред. А.М. Прохорова. М.: Советская энциклопедия, 1983. 928 с.
7. Элер, В.Д., Алашкевич Ю.Д., Ковалев В.И. Определение силы сдвига при течении волокнистых суспензий в каналах размольной установки // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки: сб. ст. Всерос. науч.-практ. конф. Красноярск: СибГТУ, 2010. Т. 2. С. 104-106.
A.A. Yerofeeva, V.I. Kovalyov, Yu.D. Alashkevich Siberian State Technological University
Determination of Wastepaper Dynamic Viscosity Coefficient
Improved Newton formula is proposed to determine viscosity coefficient of wastepaper.
Keywords: grinding, viscosity, fibrous suspension, dynamic viscosity coefficient, speed characteristics, wastepaper, Newton equation.
