CC BY
36
алюминия слегка увеличивают прочностные характеристики и немного увеличивают пористость. В целом, добавки алюминия не влияли на форму пор. В образцах, где алюминий не прореагировал, можно наблюдать зародыши пор возле частиц алюминия.
4. Вывод
При ходе процесса изготовления влияние области температур формирования и создания структуры напрямую зависит от качества стекла для изготовления пеностекла, что определяется физико-химическими свойствами.
Увеличение локального влагосодержания не влечет за собой локального увеличения пор исходной смеси. При большом содержании примесей в материале при вспучивании образуется система пластов из пор. Большое влияние на пористость играет исходный состав смеси, влажность материала, время термической обработки и температура, при которой она происходит.
Проанализировав весь эксперимент, можно сделать вывод, что градиент температур также влияет на пористость. При сильно высокой температуре может произойти усадка материала.
Литература
1. Чейлытко, А. А. Экспериментальные исследования теплофизических характеристик пористого дисперсного материала в зависимости от различных режимов термообработки [Текст] / А. А. Чейлытко // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. — 2009. — № 5/6(41). — С. 4—7.
2. Чейлытко, А. О. Исследование влияния пор на теплопроводность материалов [Текст] / А. О. Чейлытко // Технологический аудит и резервы производства. — 2013. — Т. 2, № 2(10). — С. 14—17.
3. Демидович, Б. К. Производство и применение пеностекла [Текст] / Б. К. Демидович. — Минск: Наука и техника, 1972. — 304 с.
4. Чудновский, А. Ф. Теплофизические характеристики дисперсных материалов [Текст] / А. Ф. Чудновский. — М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1962. — 456 с.
5. Нагёу, W. J. Amer. Chem. Soc [Text] / W. Нагёу. — 1935. — № 1. — P. 127.
6. Павленко, А. М. Создание основы для нового теплоизоляционного материала [Текст] / А. М. Павленко, А. А. Чейлытко // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. — 2009. — № 39. — С. 13—16.
7. Садченко, Н. П. Исследование в области получения пеностекла для низкотемпературной изоляции [Текст] : автореф. канд. дисс. / Н. П. Садченко. — Минск, 1973.
8. Лыков, А. В. Теория сушки [Текст] / А. В. Лыков. — М.: «Энергия»,1968. — 472 с.
9. ГОСТ Р 28874-2004. Огнеупоры. Классификация [Текст]. — Введ. 2006-01-01. — М.: Изд-во стандартов, 2001. — 20 с.
10. ГОСТ Р 24748-2003. Изделия известково-кремнеземистые теплоизоляционные. Технические условия [Текст]. — Введ. 2004-03-01. — М.: Изд-во стандартов, 2003. — 8 с.
ДОСЛІДЖЕННЯ ФОРМУВАННЯ ПОР У ВСПУЧУЮЩОМУ МАТЕРІАЛІ
У роботі представлено експериментальні дослідження формування пор у гідросилікатах. Наведено загальні закономірності розвитку пористої структури у піномасі з різними хімічними складовими. Зроблені загальні висновки про вплив домішок і зміни локального вологовмісту у вихідній масі на процес спучування матеріалу.
Ключові слова: пористість, структура матеріалу, теплоізоляційний матеріал, спучування.
Чейлытко Андрей Александрович, кандидат технических наук, доцент, кафедра теплоэнергетики, Запорожская государственная инженерная академия, Украина, e-mail: cheylitko@ya.ru.
Чейлитко Андрій Олександрович, кандидат технічних наук, доцент, кафедра теплоенергетики, Запорізька державна інженерна академія, Україна.
Cheylitko Andriy, Zaporizhia State Engineering Academy, Ukraine, e-mail: cheylitko@ya.ru
УДК 674.08
Завинский С. И. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ОПИСАНИЮ ПРОЦЕССА ЭКСТРУЗИИ КОМПОЗИТНОГО ОРГАНИЧЕСКОГО СЫРЬЯ
Рассмотрен вопрос формирования теоретического подхода к описанию движения композитного органического сырья в предматричной зоне экструдера. В качестве основы для этого принято описание движения жидкости в коаксиальном конфузоре, которое необходимо дополнить сведениями о реологических характеристиках сырья с учетом тепловых эффектов.
Ключевые слова: композитное органическое сырье, предматричная зона, коаксиальный кон-фузор, одношнековый экструдер.
1. Введение
Проектирование оптимальных конструкций аппаратов химической промышленности — одна из наиболее актуальных задач, от решения которой в значительной степени зависит эффективность технологических процессов. Основные принципы проектирования и расчета элементов такого оборудования изложены в ряде научных работ последних лет. Например, в работах [1—4]
подробно исследованы роторные аппараты и процессы мокрого улавливания пыли в аппаратах такого типа, а также эффективность этих процессов в зависимости от конструктивных параметров. Шнековые экструдеры в силу своей предназначенности для переработки органического сырья также могут быть отнесены к аппаратам химической промышленности и, соответственно, должны исследоваться на предмет возможной оптимизации их конструкций с целью повышения эффективности
4G
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ АУДИТ И РЕЗЕРВЫ ПРОИЗВОДСТВА — № 5/4(13], 2013, © Завинский С. И.
J
реализуемых в них технологических процессов. Применение шнековых экструдеров для переработки композитного органического сырья становится все более актуальным вопросом в химической промышленности. Актуальность исследования экструдеров подтверждает большое количество публикаций и патентов, многие из которых направлены на аспекты практического применения экструдеров и на процессы преобразования материала в экструдере.
В настоящее время экструдеры применяются не только в традиционных технологиях переработки полимеров, но и все шире в технологиях получения композитных материалов или переработки композитного органического сырья. В качестве примеров можно привести древеснополимерные композитные материалы (ДПК), топливные брикеты [5—7], экструдированные комбикорма [8] и пищевые продукты, биоразлагаемые полимерные изделия, органо-минеральные удобрения с контролируемым высвобождением питательных компонентов.
В указанных технологиях распространены одно- и двухшнековые экструдеры. Двухшнековые экструдеры обладают более широкими технологическими возможностями [9] при организации различных функциональных зон по длине шнекового канала с различной температурой и давлением, подводом и отводом продуктов химических реакций, тепла, с различным градиентом сдвига и т. д., имеют более широкие возможности автоматизации и регулирования. В то же время одношнековые экструдеры имеют более простую конструкцию, и большую производительность, а также позволяют получить более высокую удельную энергонапряженность процессов, особенно в предматричной зоне.
Анализ конструкции одношнекового экструдера, имеющего различные функциональные зоны (транспортную, нагрева, гомогенизации, сжатия, уплотнения, разуплотнения и т. д.) [10], показывает, что наиболее глубокие изменения структуры материала происходят в предматричной зоне, где обычно наблюдаются самые высокие температуры, давления, и градиенты сдвига.
В предматричной зоне экструдера материал, как правило, переходит в вязко-пластичное состояние и его движение, можно рассматривать как ползущее течение неньютоновской жидкости в соосном коническом конфузоре, образованном поверхностью матрицы и корпусом шнека.
Целью настоящей работы является формирование теоретического подхода к исследованию предматрич-ной зоны экструдера при переработке композитного органического сырья.
Основными задачами для достижения поставленной цели являются: обзор известных работ, математическая формулировка задачи, анализ полученного решения и постановка задач дальнейшего теоретического исследования.
2. Обзор ранних работ
Систематического исследования ползущего течения в соосных конических конфузорах до настоящего времени не было. В работе [11] предлагается использовать для расчета течений в любых соосных кольцевых каналах переменного сечения ступенчатую аппроксимацию отрезками кольцевых прямолинейных труб. Данное предложение можно отнести и к соосным коническим конфузорам, хотя данная методика авторами работ пред-
лагалась для диффузорного течения, но при таком подходе сходящиеся течения заменяются прямолинейными, что может привести к значительным погрешностям, особенно в случае больших значений углов раскрытия граничных поверхностей.
В работе [12] приведено выражение для расчета перепада давления в сужающемся зазоре межу двумя коническими поверхностями, но без объяснения входящих в него параметров. Автором в работе [13] сделан краткий анализ распределения скорости и давления в соосном коническом конфузоре с общей вершиной границ.
3. Математическая формулировка задачи
Наиболее системными и исчерпывающими являются постановка и решение задачи о ползущем течении в соосном коническом конфузоре с общей вершиной границ, приведенная в [14].
Были приняты следующие обозначения (рис. 1):
Т Я V
1=Н=%1-%; %=X’ у=к;
П =
т = cos Є ; Re1 =
phoVo
ц
(1)
где Н0 — линейный масштабный множитель, использующийся для обезразмеривания переменных в уравнениях движения жидкости, в дальнейшем величина Н0 будет идентифицирована как ширина канала на выходе, Я1
% = -г--безразмерная координата входа в канал, V0 —
Но
средняя по площади поверхности поперечного сечения входа в канал скорость жидкости, которая определяется выражением:
Vo = S ’ S1
(2)
где 51 — площадь поперечного сечения канала координатной поверхностью на его входе:
S1 = 2pR2(cos e1 - cos Є2).
(3)
Рис. 1. Геометрия соосного конического конфузора с общей вершиной границ: О — вершина границ, она же полюс сферической системы координат; Я — радиальная сферичесая координата; Яо радиальная координата выхода из конфузора; Я\ — радиальная координата входа в конфузор; V — скорость жидкости; 0 — азимутальная сферическая поверхности; 01, 02 полууглы раскрытия внутренней и внешней границ канала
TECHNOLOGY AUDIT AND PRODUCTION RESERVES — № 5/4(13], 2013
41
В результате получено аналитическое решение вида:
ПР ) =
3^3
1-
à
3
^1-1
(4)
Данное решение позволяет определить одну из основных характеристик течения в предматричной зоне — гидравлические потери, преодоление которых происходит за счет шнекового нагнетателя. Следовательно мы получили исходные данные для его расчета.
Описание движения реального композитного сырья осложняется существенным влиянием температуры и градиента сдвига на вязкость жидкости. Поэтому уравнение (4) необходимо дополнить сведениями о реологических характеристиках сырья, а также уравнением теплового баланса.
Кроме того, градиент сдвига внутри потока при движении сырья в предматричной зоне возникает не только при его движении между поверхностью матрицы и корпуса шнека, но и за счет относительного движения (поворота) корпуса шнека и матрицы. Возникающий при этом сдвиг существенно изменит эффективную вязкость сырья, а значит и распределение давлений в предматричной зоне.
Граничные условия потока на стенках матрицы и корпуса шнека в реальности могут отличаться от принятых нами условий «прилипания» потока к стенкам, и в то же время искусственно создавая условия для сцепления сырья и границ потока, можно влиять на градиент сдвига внутри потока и опять же на распределение давлений в предматричной зоне.
4. Выводы
В рамках принятого теоретического подхода дальнейшие теоретические и практические исследования должны иметь следующие направления:
— определение реологических характеристик конкретных видов сырья, подлежащего переработке в экструдере;
— определение граничных условий, реально имеющихся в потоке в предматричной зоне и разработка конструктивных мероприятий, обеспечивающих целенаправленное управление ими;
— провести учет тепловых эффектов при движении композитного органического сырья в предматрич-ной зоне.
Литература
1. Питак, И. В. Основы теории и расчета деталей роторного аппарата [Текст] / И. В. Питак // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. — 2012. — № 4/7(58). — С. 14—17.
2. Питак, И. В. Определение основных параметров роторного аппарата [Текст] / И. В. Питак, В. Ф. Моисеев, П. В. Кузнецов // Вестник Национального технического университета «ХПИ».—2012. — № 39. — С. 60—68.
3. Питак, И. В. Исследование процесса мокрого улавливания пыли в роторном вихревом аппарате [Текст] / И. В. Пи-так // Вестник Национального технического университета «ХПИ». — 2010. — № 17. — С. 135—140.
4. Питак, И. В. Положительные аспекты работы роторного вихревого аппарата на промышленных предприятиях [Текст]
/ И. В. Питак, В. Ф. Моисеев // Вестник Национального технического университета «ХПИ». — 2009. — № 15. — С. 9—13.
5. Трошин, А. Г. Развитие процессов и оборудование для производства топливных брикетов из биомассы [Текст] / А. Г. Трошин, В. Ф. Моисеев, И. А. Тельнов, С. И. За-винский // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. — 2010. — № 3/8(45). — С. 36—40.
6. Тельнов, И. А Исследование кинетики сушки опилок и сружки в интенсивном режиме [Текст] / И. А. Тельнов, С. И. Завин-ский, А. Г. Трошин, В. Ф. Моисеев // Вестник НТУ «ХПИ». — 2012. — № 10. — С. 139—144.
7. Завинский, С. И. Влияние давления прессования и температуры на свойства брикетов из древесной стружки [Текст] / С. И. Завинский, И. А. Тельнов, А. Г. Трошин, В. Ф. Моисеев // Вестник НТУ «ХПИ». — 2012. — № 10. — С. 144—149.
8. Афанасьев, В. А. Научно-практические основы тепловой обработки зерновых компонентов в технологии комбикормов [Текст] : дис. / В. А. Афанасьев. — Москва, 2003. — 517 с.
9. Kohlgrüber, K. Der gleichläufige Doppelschnecken-extru-der [Text] / K. Kohlgrüber. — München, 2007. — 373 p.
10. Завинский, С. И. Исследование предматричной зоны в процессе экструдирования композитного органического сырья [Текст] / С. И. Завинский, И. А. Тельнов, А. Г. Трошин // XXI международная научно-практическая конференция, Ч. III «Інформаційні технології». — Харьков, 2013. — С. 16.
11. Хан, Ч. Д. Реология в процессах переработки полимеров [Текст] / Ч. Д. Хан. — М.: Химия, 1979. — 368 с.
12. Рогов, Б. В. Уравнения вязких течений в гладких каналах переменного сечения [Текст] / Б. В. Рогов, И. А. Соколова // Доклады РАН. — 1995. — Т. 345, № 5. — С. 615—618.
13. Панов, А. К. Гидродинамика потоков аномально-вязких нелинейных систем в формующих каналах [Текст] / А. К. Панов, А. Р. Анасов. — Уфа : Гос. нефт. техн. ун-т, 1994. — 258 с.
14. Ульев, Л. М. Ламинарные течения в соосных конических каналах [Текст] : монография / Л. М. Ульев. — Т. 1. — Х.: НТУ «ХПИ», 2006. — 660 с.
ТЕОРЕТИЧНИЙ ПІДХІД ДО ОПИСУ ПРОЦЕСУ ЕКСТРУЗІЇ КОМПОЗИТНОЇ ОРГАНІЧНОЇ СИРОВИНИ
Розглянуто питання формування теоретичного підходу до опису руху композитної органічної сировини в предматричній зоні екструдера. В якості основи для цього прийнято опис руху рідини в коаксіальному конфузорі, яке необхідно доповнити відомостями про реологічні характеристики сировини з урахуванням теплових ефектів.
Ключові слова: композитна органічна сировина, предмат-рична зона, коаксіальний конфузор, одношнековий екструдер.
Завинсий Сергей Иванович, аспирант, кафедра интегрированных технологий, процессов и аппаратов, Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт»,
Украина, е-mail: s.zawinskiy@bigmir.net.
Завінський Сергій Іванович, аспірант, кафедра інтегрованих технологій, процесів та апаратів, Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Україна.
Zavinskyi Serhii, National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute», Ukraine, е-mail: s.zawinskiy@bigmir.net
I 42
технологический аудит и резервы производства — № 5/4(13), 2013
