«–¬—¤ —¤ ”  ””’ ”¤’ Сборник статей магистрантов Выпуск 3 Тамбов 2005 УДК 04 ББК Я43 С 56 Ответственный за выпуск – к.х.н., доц., зав. отделом магистратуры и бакалавриата Корчагина О. А. Современные проблемы науки ...»

Федеральное агентство по образованию

Министерство образования и науки

Российской Федерации

Тамбовский государственный технический

университет

–¬—¤

—¤ ” »

«» ””»’ ”¤’

Сборник статей магистрантов

Выпуск 3

Тамбов

2005

УДК 04

ББК Я43

С 56

Ответственный за выпуск –

к.х.н., доц., зав. отделом магистратуры и бакалавриата Корчагина О. А.

Современные проблемы науки глазами будущих ученых.

Сборник статей магистрантов. Выпуск III. – Тамбов: ТОГУП «Тамбовполиграфиздат», 2005. – 120 с.

ISBN 5-94359-022-6 В сборник включены научные статьи студентов-магистрантов Тамбовского государственного технического университета.

Предназначен для преподавателей, аспирантов и студентов с целью использования в научной работе и учебной деятельности.

УДК ББК Я ISBN 594359-022- © Тамбовский государственный технический университет, Направление

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

И ОБОРУДОВАНИЕ

Магистерская программа 150400. Приводы и системы управления технологическими машинами и оборудованием Руководитель программы д.т.н., проф. Ванин В. А.

Юркевич А. В.

МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ

ДИНАМИЧЕСКОГО КАЧЕСТВА СТАНКОВ

Работа выполнена под руководством к.т.н., доц. Фидарова В. Х.

ТГТУ, Кафедра «Технология машиностроения, металлорежущие станки и инструменты»

При работе станка под действием сил резания, трения, инерции неуравновешенных вращающихся деталей или узлов, имеющих возвратнопоступательное движение, воздействия на систему приводного двигателя и, наконец, от толчков и колебаний, передаваемых извне через фундамент, возникают деформации упругой системы, вибрации что отрицательно влияет на точность обработки деталей, шероховатость обрабатываемой поверхности, а также на стойкость инструмента, долговечность деталей станка. Приведённый в движение станок независимо от тогo, производится ли на нём резание или нет, представляет собой с точки зрения динамики активную энергетическую систему.

Под влиянием сил резания и трения и при воздействии двигателя упругие элементы станка деформируются. Возникшие деформации станка, в свою очередь, изменяют условия резания, трения, или условия работы двигателя. Таким образом, происходит взаимное влияние процессов резания и деформации станка, которое приводит к периодическому изменению относительного положения инструмента и детали, т.е. к колебанию системы. Поэтому динамическую систему станка можно представить как систему с обратной связью, где упругая система станок – приспособление – инструмент – деталь взаимодействуют с рабочими процессами резания, трения и д.р., происходящими при работе станка.

Динамическую систему станка можно представить в виде замкнутой системы, состоящей из одноконтурных упрощенных систем, которые выражают взаимодействие с упругой системой станка процесса резания, процесса трения в направляющих элементах и процессов, происходящих в двигателе.

Итак, система будет считаться устойчивой, если после нарушения её движения внешними возмущениями она стремится с течением времени вернуться к заданному движению. При колебаниях рассматривается устойчивость в малом, т.е. при весьма малых отклонениях координат от заданных значений.

Замкнутая система (с обратной связью) иначе реагирует на внешние воздействия, чем незамкнутая. Для неё устойчивость некоторых элементов не является гарантией устойчивости системы в целом. И, наоборот, при определенных условиях система в целом может оказаться устойчивой и при наличии неустойчивых элементов. Этим объясняются многие противоречия, возникающие при анализе причин колебаний, когда динамическая система станка рассматривается как разомкнутая.

Далее рассмотрим ряд методов повышающих динамические качества станка.

Одним из основных методов повышения динамических характеристик станка является создание более жестких конструкций.

Следует отметить, что статическая жесткость и виброустойчивость – это разные показатели качества станка.

При изменении жесткости в широких пределах возможны случаи, когда увеличение жесткости, повышая устойчивость по отношению к низкочастотным возмущающим воздействиям, приводит к появлению неустойчивости при высокочастотных возмущениях.

Например, уменьшение вылета расточной борштанги малого диаметра устраняет низкочастотные вибрации с частотой изгибных колебаний.

Однако при этом облегчается возникновение высокочастотных вибраций с частотой крутильных колебаний. Дальнейшим уменьшением вылета можно добиться устранения и этих вибраций, т.е. повышения устойчивости системы по отношению к другой форме возмущенного движения. В области перехода от одной формы к другой для стабилизации системы жесткость необходимо увеличить в несколько раз.

Другим методом улучшения динамических характеристик станка является повышение их точности.

Ошибки, допущенные при изготовлении деталей и сборке всех элементов, составляющих упругую систему станка, как правило, вызывают снижение устойчивости системы.

Одой из наиболее распространённых и существенных ошибок при изготовлении станков с вращательным рабочим движением является овальность отверстия под шпиндельный подшипник. Жесткость опоры шпинделя в этом случае различна по осям овала. Это создает координатную связь в системе, и устойчивость резко падает.

';

Иногда искажение формы отверстия появляется в результате деформации корпуса шпиндельной бабки при затяжке неудачно расположенных крепежных винтов.

Нелинейности типа зазоров особенно часто возникают при неточном изготовлении и регулировании опор шпинделей, а также в кинематических цепях. Чрезмерные зазоры в шпиндельных подшипниках резко снижают виброустойчивость системы.

Повышение виброустойчивости станка возможно также путем целесообразного расположения зон резания, трения, их числа и формы, т.е.

изменения точек приложения и направления сил, действующих на упругую систему.

Весьма удобным и эффективным способом в ряде случаев оказывается замена однорезцовой обработки многорезцовой. При этом на упругую систему действует несколько сил, которые при рациональной схеме их относительного расположения могут уравновешиваться между собой, например, при расточке или обточке.

Взаимодействие элементарных колебательных систем объясняется близостью их собственных частот колебания и усиливается или ослабляется путем изменения соотношения жесткостей, масс и моментов инерции.

Примером изменения динамической характеристики системы увеличением массы может служить укрепление на конце консольной расточной борштанги дополнительного груза. Очень часто таким грузом является расточной суппорт.

Жесткость стыков в направляющих станков имеет большое значение для демпфирования колебаний. Для увеличения демпфирования применяют различные виброгасители, рассеивающие энергию или локализующие ее так, чтобы основная система перестала совершать колебания. В частности используются динамические виброгасители, виброгаситель новатора Д. И. Рыжкова, предназначенный для гашения высокочастотных колебаний резца.

Часто для гашения колебаний используют различные поглотители (пружины, специальные гидроцилиндры, резину и др.), работа которых основана на рассеянии энергии при колебаниях.

Итак, возникновение в станках быстро протекающих колебательных процессов отрицательно влияет на точность и чистоту поверхности обрабатываемых деталей, а также нередко уменьшает долговечность станка и снижает его технологические возможности. Поэтому повышение показателей динамического качества станков и в первую очередь их виброустойчивости является весьма актуальной задачей.

ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРИВОДА МИКРОПЕРЕМЕЩЕНИЙ

КОНТУРОШЛИФОВАЛЬНОГО ПОЛУАВТОМАТА

Работа выполнена под руководством к. т. н., доц. Лучкина В. К.

Для более глубокого и всестороннего изучения процессов, происходящих в исполнительной части привода микроперемещений, и оценки важнейших параметров воспользуемся аналитическим исследованием привода как системы с распределенными параметрами.

В отношении исследуемого привода аналитический метод позволяет более точно оценить такие параметры исполнительной части: запаздывание по началу движения, зависимость величины запаздывания от фазы колебаний давления в момент очередного включения, влияние жесткости силового и дозирующего сильфонов и т.д. Поскольку многие параметры зависят от конструктивных особенностей привода, необходима математическая модель, содержащая соответствующие параметры. Это позволит оценить нужные параметры на стадии проектирования с целью оптимизации конструктивного решения.

Рассмотрим случай, когда исполнительная часть привода работает без нагрузки, т.е. отсутствует перемещаемый узел.

Запишем уравнение динамики, выражающее движение центральной подвижной стенки 10 (см. рис.1), которая приводит в действие исполнительный узел, в зависимости от разности давлений рабочей жидкости в полостях 7 и 8 сильфонного гидроцилиндра:

где m – масса центральной подвижной стенки 10; y(t) – перемещение стенки 10; P7 (t ), P8 (t ) - давление рабочей жидкости в полостях сильфонного гидроцилиндра; F7, F8 - эффективные площади сильфонов 7 и 8; C g - осевая жесткость двух последовательно соединенных сильфонов Считаем, что питающее давление рабочей жидкости на входе сильфона 8 постоянно, т.е.:

Давление в рабочих полостях сидьфонного гидроцилиндра:

где Pвых (t ), Vвых (t ) и K вых - соответственно, давление, скорость движения рабочей жидкости и коэффициент местного сопротивления на выходе сильфона 7; Vвх (t ) и K вх - скорость движения рабочей жидкости и коэффициент местного сопротивления на входе в сильфон 8.

Расход рабочей жидкости на входе сильфона 8 и на выходе сильфона 7 определяется:

где f 1 - площадь сечения питающего трубопровода к сильфону 8, а f 2 - трубопровода, соединяющего выход сильфона 7 со входом дозирующего сильфона 11; l 7 и l 8 - длина сильфонов 7 и 8 в исходном положении;

E 7 и E8 - приведенные модули упругости полостей сильфонов 7 и 8.

Для учета волновых процессов в приводе воспользуемся системой волновых дифференциальных уравнений:

И, наконец, опишем процессы, происходящие в дозирующем сильфоне 11:

где Pд (t ), K д.вх, Fд, l д, E д - характеристики и параметры дозирующего сильфона 11, соответственно, давление, коэффициент местного сопротивления на входе, эффективная площадь, длина в исходном положении и приведенный модуль упругости; z (t ) - перемещение кронштейна 13.

При работе шагового двигателя на участках с постоянной рабочей частотой в формуле (9) можно сделать замену:

где f 0 - частота управляющих импульсов, t - время.

Уравнения (1) – (9) представляют собой динамическую модель привода микроперемещения для случая, когда дозирующий сильфон осуществляет слив. Аналогично, с учетом естественных особенностей, составляется динамическая модель и для всех случаев работы привода.

Рис.1. Привод микроподач и микроперемещений 1. Патент РФ №2073128. Лучкин В.К. Гидропривод микрошаговых перемещений. -1996. – БИ №8.

2. Шереметьев А.В. Повышение точности контурошлифовального полуавтомата с ЧПУ мод. МА396Ф3: Сборник статей магистрантов. Выпуск 2. – Тамбов:

ТОГУП «Тамбовполиграфиздат»,2005. – с.11-13.

3.Тарко Л.М. Волновые процессы в трубопроводах гидромеханизмов. – М.:

Машгиз, 1963. – 184 с.

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ

ЗУБОШЛИФОВАЛЬНЫХ СТАНКОВ

Работа выполнена под руководством к.т.н., доц. Лучкина В. К.

К числу факторов, влияющих на всю кинематику зубошлифовальных станков, относятся:

1) компоновка станка; 2) форма шлифовальных кругов и соотношение скоростей движений продольной и обкатной подач; 3) структура цепи обката; 4) средства осуществления способов соединения групп обката и деления; 5) структура группы деления; 6) способы вывода круга из зоны обката.

Компоновка станка зависит от расположения оси вращения заготовки (вертикальная или горизонтальная) и от распределения элементарных движений подач между заготовкой и кругом.

В станках средних типоразмеров применяются горизонтальная и вертикальная компоновки. Трудно отдать предпочтение какой-либо из них. В тяжелых станках (для шлифования колес диаметром более одного метра) чаще встречается вертикальная компоновка.

Возможны три варианта форм поперечных сечений кругов, схемы их установки на станке, применяемые соотношения скоростей продольной и обкатной подач и получаемые формы следов шлифования на боковой поверхности зуба.

В первом случае при быстрой продольной и медленной обкатной подаче дискового обкатного конусного круга, когда боковая поверхность зуба образуется методом касания и обката, следы на боковой поверхности получаются продольными с небольшим наклоном. Станок в этом случае обладает большой производительностью, так как путь шлифования, проходимый кругом по профилю зуба с медленной обкатной подачей, имеет небольшую длину, но поддержание точной формы круга, а следовательно, получение точного профиля зуба здесь сложнее, чем в других случаях.

Возможно одновременное шлифование сразу двух профилей при беззазорном зацеплении круга и заготовки, когда толщина круга равна ширине впадины.

Во втором и третьем случаях шлифование ведется двумя тарельчатыми кругами с подачей обката по скорости значительно большей, чем скорость продольной подачи. Поэтому такие станки обладают меньшей производительностью по сравнению с предыдущими станками. Эти случаи отличаются между собой прежде всего различием методов геометрического образования.

Во втором случае профиль зуба образуется, как и в первом случае, методом обката прямолинейной режущей кромкой круга при качении делительной окружности по начальной прямой. Таким образом, для получения боковой поверхности зуба заготовки используют методы обката и касания; так как оси вращения кругов устанавливают наклонно к оси заготовки, то поверхность шлифуемого зуба имеет своеобразную перекрестную форму следов шлифования. Путь движения продольной подачи здесь такой же, как в первом случае.

В третьем случае профиль зуба образуется методом следа одной профилирующей точкой на режущей кромке круга. Эта точка, лежащая на прямой линии, очерчивает эвольвенту при перекатывании (без скольжения) прямой по основной окружности заготовки. Следовательно, боковая поверхность зуба заготовки образуется методами следа и касания. Следы шлифования на поверхности зуба составлены из малых участков дуг. Путь продольной подачи здесь меньше, чем во втором случае, и поэтому производительность шлифования больше. В третьем случае круг изнашивается быстрее, но зато легче контролировать и восстанавливать правильное положение профилирующей точки, особенно при шлифовании фланкированного зуба.

Цепь профилирования в зубошлифовальных станках создает траекторию движения обката, сохраняя заданную относительность параметров элементарных движений: перемещение каретки стола и вращение заготовки. Поэтому во всех профилирующих цепях имеется механизм трансформирования вращательного движения в поступательное (или обратно). Цепи профилирования разных зубошлифовальных станков отличаются друг от друга в основном конструкцией этого механизма, а также числом звеньев и кинематических пар. От точности работы цепи профилирования зависит точность получения профиля шлифуемого зуба. Так как измерение профиля зуба на отшлифованном колесе является весьма длительной операцией, то конструкторы стремятся сделать цепь профилирования точной и надежной.

Для трансформирования движений в цепях профилирования чаще всего применяют два механизма: барабан с лентами и х о д о в о й в и н т с г а й к о й. Реже использую т к у л а к с т о л к а т е л е м и реечную передачу.

В некоторых случаях вся цепь профилирования состоит только из одного механизма трансформирования движения. Такая короткая цепь работает точно, но настройка ее затрудняется необходимостью иметь барабан, реечный механизм и кулак сменными, что очень дорого.

В зубошлифовальных станках, как и в ряде других станков, имеется общее подвижное исполнительное звено - шпиндель заготовки, которое одновременно принадлежит группам движения обката и деления. Процессы формообразования и деления, обеспечиваемые этими движениями, неодновременны и поэтому для соединения групп применяют все три возможных способа соединения: параллельный, последовательный и смешанный.

Из рассмотрения кинематических схем существующих зубошлифовальных станков с параллельным способом соединения групп обката и деления видно, что соединение групп осуществляется с помощью суммирующего механизма (дифференциала), так как во время процесса деления заготовка совершает одновременно два исполнительных движения — обката и деления, но размещение его в группе обката не одинаково. В одном случае дифференциал размещен в цепи профилирования.

Во втором случае в дифференциал превращена передача винт — гайка; во время деления гайке сообщают вращение, синхронное с вращением ходового винта, что вызывает дополнительное перемещение гайки в противоположном движению направлении с такой же скоростью. Каретка стола останавливается и происходит процесс деления. Здесь дифференциал размещен на исполнительном звене, вне цепи профилирования.

Возможны варианты структур зубошлифовальных станков с последовательным способом соединения групп обката и деления: с нарушением работы механизма обката, с разрывом цепи профилирования при помощи дифференциала и с разрывом связи между выходным звеном цепи профилирования и заготовкой Структуры групп движения деления отличаются тем, что они бывают с отдельным или с о бщим двигателем, и тем, имеется ли у них гитара настройки на время деления.

Установить какие-либо закономерности, связанные с необходимостью применения в группе деления отдельного двигателя, весьма трудно и, по-видимому, конструкторы больше руководствуются в этом вопросе экономическими соображениями, поскольку стоимость двигателей еще довольно значительная.

Настройка на время деления, т. е. настройка на скорость движения деления, пока встречается лишь в крупных станках, в которых недостаточно иметь одну скорость движения деления для колес с малым и большим числом шлифуемых зубьев. В малых моделях станков фактор скорости движения деления не оказывает заметного влияния на точность шлифования. И все же, в последнее время, в некоторых малых моделях станков ста ли устанавливать органы настройки на скорость движения деления, но упрощенной конструкции, лишь на две фиксированные скорости.

Способы вывода круга из зоны обката перед делением в зубошлифовальных станках также имеют немаловажное значение. Время вывода и ввода круга из зоны и в зону обката, как и время деления, холостое время и поэтому оно должно быть как можно меньшим. Значительное увеличение скорости разобщения круга и заготовки привело бы к большим динамическим нагрузкам и возможно снизило бы точность работы станка. Поэтому стремятся сократить путь этого движения.

Практически на станках были осуществлены четыре разных способа.

Вывод круга из зоны обката движением продольной подачи с периодическим прекращением этого движения и остановкой ползуна с кругом вне впадины шлифуемого зуба применяется редко, так как из-за большой инерционности ползуна механизм остановки ползуна не обладает необходимой работоспособностью. Чаще всего вывод круга осуществляют движением обката, но производимым с большей скоростью, чем при шлифовании. В этом случае большие скорости вывода оказывают отрицательное влияние на точность работы механизмов профилирования и поэтому время вывода круга остается все еще значительным.

Возможен отвод круга отдельным вспомогательным движением в радиальном направлении, но это требует отвода всей стойки, имеющей довольно большую массу.

Более рациональным является применение отдельного движения для вывода круга вдоль зуба без остановки возвратно-поступательного движения ползуна. Этот способ вывода круга позволяет достичь наименьшего времени, не оказывая вредного влияния на работоспособность других механизмов. Правда, следует отметить, что он требует создания отдельного, довольно сложного по конструкции механизма и, следовательно, дополнительных затрат.

Из приведенного сравнительного анализа видно, что все эти отклонения оказывают некоторое влияние на общую структуру с ганка, не затрагивая типовой структуры формообразующей части станка.

Руководитель программы д.т.н., проф. Малыгин Е. Н.

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОЖУХОТРУБЧАТЫХ

ТЕПЛООБМЕННИКОВ

Работа выполнена под руководством к.т.н., доц. Мокрозуб В. Г.

Процессы теплообмена имеют большое значение в химической, энергетической, металлургической, пищевой и других отраслях промышленности. Существует много типов теплообменников, из которых наиболее распространены кожухотрубчатые.

Сейчас трудно представить себе современное промышленное предприятие или специализированную организацию без компьютеров и специального программного обеспечения, предназначенного для проектирования различных технических объектов.

В настоящее время на кафедре АПТО разрабатывается информационная система для автоматизированного проектирования химического оборудования и его элементов.

Частью этой системы является подсистема автоматизированного проектирования кожухотрубчатых теплообменников, основные элементы которой рассматриваются в настоящей работе.

Информационная система проектирования предназначена для выполнения расчетов кожухотрубчатых теплообменников, разработки сборочного чертежа и составления спецификации на детали теплообменника. В основе ее лежит управляющая программа, которая обрабатывает исходные данные (температуры теплоносителей, расходы, давления, данные о веществах и др.), выполняет расчеты и передает результаты (геометрические размеры деталей) в среду параметрического проектирования для построения чертежей. В ходе расчета программа обращается к различным базам данных (свойства веществ, свойства сталей и др.).

Структура информационной системы проектирования кожухотрубчатых теплообменников представлена на рис.1.

Рис.1. Структура информационной системы проектирования Все расчеты выполняются по известным методикам.

Основой построения чертежей сборочных единиц и деталей является информационно-логическая модель, которая состоит из множества конструкционных элементов теплообменника и связей между ними.

Для генерации возможных моделей теплообменных аппаратов удовлетворяющих требованиям технологического процесса необходимо выявить условия выбора необходимых элементов аппаратов, взаимосвязь размеров, сопрягаемых деталей, друг с другом и правила сопряжения этих деталей. Итак, Е={еi} – множество элементов кожухотрубчатого теплообменника, Р={pi, j} – признаки отдельного элемента (характеристики формы), Z={zi, j, k} – значение признаков.

Элементы кожухотрубчатого теплообменника:

ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ АДСОРБЕНТОВ

МЕТОДАМИ СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ МИКРОСКОПИИ

Работа выполнена под руководством к.т.н., доц. Краснянского М. Н.

На текущий момент существуют установки, позволяющие прямыми измерениями получить поле поверхностных сил [1,2,3,4]. Принцип действия подобных установок описан в [5].

Общей чертой всех сканирующих зондовых микроскопов (и определяющей их название) является наличие микроскопического зонда, который находится в контакте (не всегда механическом) с исследуемой поверхностью и, в процессе сканирования, перемещается по некоторому участку поверхности конечного размера.

Родоначальником этих методов была туннельная сканирующая микроскопия (STM), созданная в самом начале 1980-х в Цюрихской исследовательской лаборатории IBM Г. Биннигом и X. Рохрером. В 1986 г. они получили за это Нобелевскую премию, хотя саму идею STM предложил еще в 1960 г. И. Джавер. Идея состоит в том, что при наложении некоторой разницы потенциалов между двумя проводящими элементами, разделенными тонким зазором шириной до 10 нм, должен течь так называемый туннельный ток, возникающий при преодолении электронами потенциально непроводящего барьера. Для плотности туннельного тока (в приближении плоских металлических электродов и вакуумного туннелирования) справедлива формула [3]:

где e - заряд электрона, h - постоянная Планка, s - расстояние зонд – образец, Ut - разность потенциалов на туннельном контакте, k0 - константа затухания волновых функций электронов в контакте.

Из анализа формулы (1) следует, что при изменении расстояния зонд – образец на один ангстрем величина туннельного тока изменяется на порядок.

SТМ применим для исследования поверхности только электропроводящих материалов. Но уже в 1985 г. Г. Бинниг создает микроскоп атомных сил (АFМ), позволяющий измерять ультрамалые (менее 1 мкН) силы взаимодействия между иглой и исследуемым объектом, который может быть как проводником, так и изолятором.

Важнейшим узлом этого микроскопа является консоль (рычаг) с иглой, имеющие настолько ультрамалые массу и жесткость, что при взаимодействии кончика иглы с элементами поверхности исследуемого образца консоль изгибается, и эта деформация точно измеряется датчиками, основанными на токе туннелирования электронов, электрической емкости или оптике. Изгиб измеряется с погрешностью не более ±0,02 нм, что позволяет измерять силы взаимодействия порядка 0,2·10-9 Н или поверхностное натяжение образца с погрешностью ~10 Н/м. Строго контролируемое перемещение образца (или иглы) осуществляется, например, с помощью пьезоэлектрического сканера. По способу движения иглы относительно поверхности можно выделить две основные разновидности сканирующий зондовой микроскопии (СЗМ).

• Если зонд движется над поверхностью при постоянной координате Z, то говорят, что сканирование осуществляется по способу постоянной высоты. В этом случае в каждой точке из множества {Xi, Yj} измеряется интенсивность рабочего взаимодействия Fij|Z=const. Результатом исследования является массив {Fij|Z=const, Xi, Yj}, описывающий зависимость функции двух переменных F|Z=const(X, Y).

• Если же система обратной связи фиксирует в процессе сканирования на заданном уровне величину рабочего взаимодействия A(X, Y, Z) вариацией вертикальной Z координаты зонда, то говорят, что сканирование осуществляется по способу постоянного взаимодействия. Результатом работы СЗМ в этом режиме будет массив {Zij|A=const, Xi, Yj}, коррелирующий с топографией исследуемой поверхности. Помимо "топографического'' массива, можно, проводя в каждой точке измерения какого-либо дополнительного параметра (или нескольких), получать зависимости вида Gij|A=const(Xi, Yj).

Таким образом, результатом СЗМ-исследования является получение функциональных зависимостей двух типов: по способу постоянной высоты: F|Z=const(X, Y) и по способу постоянного взаимодействия: Z|A=const(X, Y) ("топография''), плюс какая-либо дополнительная зависимость G|A=const(X, Y). С помощью компьютерного программного обеспечения можно проводить анализ полученных зависимостей (анализ характерных латеральных и вертикальных размеров поверхностных особенностей, построение сечений, Фурье-анализ, оценка шероховатости и т.п.), отображать полученные зависимости на экране монитора и выводить их на принтер.

Многочисленные модификации микроскопа типа АFМ в комбинации с SТМ обеспечивают одновременные измерения энергетического и геометрического профилей на уровне атомного разрешения, раздельные измерения разных типов взаимодействия (за счет наложения электрического или магнитного поля, измерения взаимодействия в зависимости от расстояния, вибрации консоли с измерением резонансной частоты и т. д.).

Такие приборы, выпускаемые рядом фирм США, Японии, Франции, Швейцарии, Германии и т. д., позволяют измерять поверхностное натяжение твердой фазы, силы адгезии разных материалов, трение и износ, влияние адсорбции и модификации поверхности на взаимодействие. Существуют модификации, предназначенные для измерений в растворах, при довольно высоком давлении инертного или адсорбирующегося газа и т. д.

[6] Основным потребителем таких приборов пока является микроэлектроника, где они уже широко применяются в разработке и производстве микропроцессоров (микроконтроллеров), микросхем памяти и микроэлектромеханических систем (МEМS). Но их использование и в других направлениях науки и техники, связанных с поверхностными явлениями и дисперсными системами, включая синтез и исследования катализаторов, адсорбентов, многими задачами экологии, биологии и т.д. и т.п., может привести к мощному (даже взрывообразному) развитию этих направлений.

Возможности, которые открывает использование такой техники, особенно с учетом крайне интенсивного ее развития (все вышеперечисленные приборы созданы за последнее десятилетие), невозможно переоценить, так как в этом случае реальность может превзойти самые буйные фантазии.

В нашем случае интерес представляет изучение адсорбентов. Наличие точных топографических полей поверхности и срезов адсорбента позволяют получить представления об их реальной структуре, а поля поверхностных сил – распределение по поверхности и потенциальную энергию активных центров адсорбции. Вся полученная информация может носить, как чисто теоретический характер, вывод эмпирических (теоретикоэмпирических) уравнений зависимости поверхностных сил от координат (F (X, Y)), так и практический, т.е. может быть использована как входные данные для математического моделирования динамики и изотерм адсорбции, например методом вероятностного клеточного автомата (ВКА) [7].

1. Компания “Shimadzu” //http://www.shimadzu-sng.ru 2. Компания “Аналит” //http://www.analit-spb.ru 3. Научно-исследовательское предприятие “Элемент” //http://www.element.ur.ru 4. Нижегородский государственный университет / Физический факультет //http://spm.unn.runnet.ru //http://www.spm.genebee.msu.su 6. Фенелонов В.Б. Введение в физическую химию формирования супрамолекулярной структуры адсорбентов и катализаторов.// Новосибирск: Издательство СО РАН, 2002 г., -414 с.

7. Агафонов А.Н., Коныгин С.Б., Попова О.И. Моделирование процессов адсорбции методом вероятностного клеточного автомата (ВКА). / //http://nit.miem.edu.ru/2003/tezisy/articles/284.htm

ИНФОРМАЦИОННО-ЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ХТС

Работа выполнена под руководством к.т.н., доц. Краснянского М. Н.

Процесс проектирования ХТС состоит из множества этапов и носит итерационный характер. Т.е. получая результат какого-либо расчета зачастую необходимо вернутся на несколько этапов назад и внести корректировки в исходные данные. Вследствие этого схожие расчеты приходится проделывать многократно с незначительно изменяющимися начальными параметрами. На данный момент времени существует большое количество программных средств, позволяющее автоматизировать определенные виды расчетов. Недостатком большинства из них является отсутствие общего формата данных, который позволил бы упростить взаимодействие между программами.

При выполнении расчетов с помощью различных программных продуктов необходимо сформировать единую модель, содержащую информацию о всех параметрах ХТС требующихся на различных этапах разработки. Это позволит организовать автоматическую передачу информации между различными программными средствами и обеспечит целостное представление всех имеющихся данных о разрабатываемой ХТС в любой момент времени.

Основное требование к модели: модель должна быть применима для всех этапов проектирования ХТС и включать помимо основных данных, характеризующих систему также метаданные, описывающие работу приложений. Модель должна описывать химико-технологическую систему, т.е. в полностью заполненном варианте модель должна содержать всю информацию, которую содержит выполненный проект. При этом модель должна быть построена таким образом, что заполнение ее происходит поэтапно, начиная с данных технологического регламента, постепенно наращивая содержание по мере выполнения расчетов.

Функциональное применение модели не ограничивается этапом разработки, поскольку модель может содержать произвольные данные ее можно использовать на протяжении всего жизненного цикла ХТС. На этапе эксплуатации основное применение модели заключается в сборе статистических данных о функционировании оборудования и системы в целом, которые можно использовать для повышения надежности и работоспособности системы и выявления недоработок допущенных при проектировании ХТС и аппаратурного оформления. В случае выхода из строя какого-либо аппарата использование модели позволит в максимально короткие сроки подобрать ему замену.

Поскольку при смене ассортимента выпускаемых продуктов реконструируемая химико-технологическая система содержит часть ранее используемого оборудования целесообразно сохранять статистические данные об аппаратурном оформлении с целью учета индивидуальных особенностей оборудования при составлении графика планово-предупредительных ремонтов.

Модель ХТС состоит из описания следующих основных групп данных:

1. Используемые аппараты 2. Используемые химические вещества 3. Точки ввода/вывода веществ 4. Трубопроводная арматура Указанные элементы соединяются между собой трубопроводами, каждый из которых имеет начало, конец (выбираются из группы аппаратов, элементов трубопроводов или точек ввода/вывода). На ранних этапах детализации указываются только начало и конец трубопровода, после выбора расположения оборудования задаются координаты начала и конца трубопровода.

Для каждого продукта создается описание технологических этапов, включающее перечень используемого оборудования (с указанием последовательности работы), химических преобразований проводимых в каждом аппарате. Выделяются все используемые в производстве данного продукта трубопроводы и каждому из них сопоставляются транспортируемые ими химические вещества.

Помимо данных о физической структуре ХТС модель содержит информацию используемую при проектировании: химизм, стадии по лабораторному регламенту, стадии по технологическому регламенту.

При описании оборудования указываются не конкретные параметры аппаратов, а ссылки на их описание в базе оборудования. Это сделано с целью объединения данных обо всех аппаратах предприятия в единое информационное пространство. Все параметры работы, не зависимо от схемы в которой функционирует аппарат накапливаются в одной базе, таким образом информация об аппарате накапливается в течении всего жизненного цикла.

Модель оборудования уникальна для каждого класса аппаратов.

Модель представлена в виде блоков данных сформированных из параметров наиболее часто употребляемых совместно. Например, для описания вакуумного насоса используются следующие блоки данных:

1. Вид, принадлежность, габариты и местоположение 2. Реализуемые процессы 3. Ремонтные характеристики 4. Связи аппарата 5. Характеристики среды 6. Характеристики насоса Первые пять блоков данных характерны для большей части оборудования и присутствуют во всех моделях. Шестой блок описывает характеристики присущие только насосам, поэтому он присутствует только у насосов. Часть параметров содержащихся в данном блоке будет лишней для конкретного типа насоса и не заполняется, за счет внесения избыточных данных наиболее важная информация о любом из насосов содержится в одной группе данных.

Если насос содержит ряд данных редко используемых в расчетах и не характерных для большей части другого схожего с ним оборудования: эта информация выносится в отдельный блок. Например для описания винтового насоса помимо выше описанных групп данных необходимо внести блок “Характеристики винта”.

Таким образом, большая часть информации необходимой для расчетов содержится в первых пяти блоках и не зависит от типа оборудования. Для специфических расчетов используются дополнительные блоки, общие для какого либо класса аппаратурного оформления или для одного вида оборудования.

Данный вид модели позволяет гибко описывать технологическое оборудование, поскольку позволяет в любой момент времени добавить новые блоки данных и это не требует изменения кода функционирующих программных средств. Модель ХТС также позволит добавлять произвольные данные, что не будет сказываться на работоспособности имеющихся приложений.

Руководитель программы д.т.н., проф. Дворецкий С. И.

Юрина О. А., Плотникова О. А., Солопова О. В.

К РАЗРАБОТКЕ СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ БИОГАЗА

ИЗ ЖИДКИХ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ

БРОДИЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВ

Работа выполнена под руководством д.т.н., доц. Иванова О. О.

Основной отход спиртовых заводов, работающих на растительном сырье, в частности на мелассе - послеспиртовая мелассная барда. Большая часть барды вообще нигде не используется и отводится в бардонакопители или подвергается естественному разложению на полях фильтрации, что неприемлемо.

До сегоднышнего дня в России не существует опробованной эффективной технологии утилизации жидких органических отходов бродильных производств. Существующие технологии отличаются низкой эффективностью и высокой затратностью.

Из-за подорожания энергоносителей и нестабильной работы мелассных спиртзаводов разработку процессов утилизации барды свернули. Но проблема отходов никуда не исчезла – регионы со спиртовым производством продолжают оставаться одними из самых неблагополучных в экологическом отношении.

Нами рассматривается возможность использования послеспиртовой барды как сырьём для производства биогаза.

Процесс получения биогаза известен очень давно: в Китае - более тысяч лет, в Индии - более 2 тысяч лет. Современные биогазовые технологии широко используются как в развитых (Дания, Германия, Англия, Франция, Италия, Австрия и др.), так и развивающихся странах (Китай, Индия, Индонезия, страны Южной Америки, некоторые страны африканского континента).

Биогаз - возобновляемый источник энергии, газообразный продукт, получаемый в результате анаэробной, ферментации органических веществ самого разного происхождения. Типичный состав биогаза приведён в таблице 1.

Биогаз может успешно быть применён как топливо. Его можно сжигать для получения тепла, использовать в холодильных установках абсорбционного типа, инфракрасных излучениях и автотракторных двигателях.

В основе биогазовых технологий лежат сложные природные процессы биологического разложения органических веществ в анаэробных условиях под воздействием особой группы анаэробных бактерий, сопровождающиеся минерализацией азотсодержащих, фосфорсодержащих и калийсодержащих органических соединений с получением минеральных форм азота, фосфора и калия, наиболее доступных для растений, с полным уничтожением патогенной микрофлоры, яиц гельминтов, семян сорняков, специфических фекальных запахов, нитратов и нитритов. [1] Процесс образования биогаза осуществляется в специальных реакторах-метантенках. Ниже проанализированы существующие конструкции для производства биогаза.

Установка для производства биогаза (рис. 1) имеет две камеры: внутреннюю камеру аэробной обработки, служащую источником тепла для подогрева сбраживаемой биомассы, и внешнюю камеру анаэробного сбраживания. Внутренняя камера имеет пеногаситель, крышку, мешалку, люк выгрузки аэрированной биомассы, дренажную трубу с отверстиями.

Внешняя камера имеет патрубки загрузки исходной и выгрузки сброженной биомассы с крышками, патрубок отбора биогаза с вентилем [2].

К недостаткам этой конструкции можно отнести: необходимость одновременного осуществления аэробного (во внутренней камере) и анаэробного (во внешней камере) сбраживания, металлоёмкость низкую удельную производительность.

Анаэробный биореактор для переработки жидких отходов (рис. 2) может быть использован в бродильном производстве для утилизации жидких органических отходов. а именно на спиртовых заводах. Он содержит в верхней части отделитель биомассы и биогаза, в нижней части - коллектор распределения жидких отходов. Отделитель биомассы и биогаза расположен в насадке, которая содержит камеру сбора биогаза и отделения пены.

Это позволяет повысить эффективность утилизации жидких отходов, отделения биогаза и предотвратить вынос активного ила [3]. Недостатками конструкции являются: сложность подачи исходного материала и невозможность повторного использования активного ила с содержанием сухих веществ 80-85%, увеличенное время протекания процесса из-за отсутствия перемешивания.

Рис.2. Анаэробный биореактор для очистки сточных вод.

Биогазовая установка (рис. 3) работает следующим образом: сначала осуществляется подача во внешнюю камеру метантенка разжиженных органических отходов с последующим их анаэробным сбраживанием во внешней и внутренней камерах ментантенка, подогрев и перемешивание сбраживаемой массы, вывод из метантенка сброженного осадка и отбор биогаза из внешней и внутренней камер метантенка. Биогаз, отбираемый из внешней камеры метантенка, вводят во внутреннюю его камеру, для чего устройство содержит компрессор [4].Высокие энергозатраты, металлоёмкость и дороговизна конструкции ограничивают её применение.

Таким образом, анализ приведённых конструкций показывает, что проблема разработки новых технологий и оборудования для производства биогаза является актуальной. Требуется дальнейшее совершенствование существующих конструкций и создание математического аппарата для их проектирования и оптимизации.

1. http://www.esco-ecosys.narod.ru 2. Патент РФ № 2082682. Установка для производства биогаза, Осмонов О.М., Ковалёв А.А., Ножевникова А.Н., Мельник Р.А.,1997 г.

3. Патент РФ № 2065408. Биогазовая установка, Ильин А.К., Ковалёв О.П., Тимошенко В.А.,1996 г.

4. Патент РФ № 2198853. Анаэробный биореактор для переработки жидких отходов, Каранов Ю.А., Кошель М.И.,2003 г.

К ВОПРОСУ О ТОЧНОСТИ РАСЧЁТА ТЕПЛООБМЕННОГО

ОБОРУДОВАНИЯ В СИСТЕМЕ «CHEMCAD»

Работа выполнена под руководством д.т.н., проф. Дворецкого С. И.

В связи с постоянным увеличением конкуренции и развитием химических технологий, возрастают требования к точности расчёта оборудования, т.к. при этом обеспечивается достижение заданного качества выпускаемой продукции, уменьшаются издержки, возникающие из-за потерь и капитальные затраты.

Традиционными методами эта задача не может быть решена на достаточном уровне, потому что повышение точности расчета влечёт за собой увеличение сложности и объёма вычислений.

Также традиционные методы не позволяют прогнозировать поведение объекта при изменении каких-либо параметров, а соответственно и работу объекта в неустановившемся режиме (динамике). Чтобы решить эту задачу, прежде требовалось проводить либо эксперимент на готовом оборудовании, либо строить физическую модель, что не способствовало увеличению точности, при этом возрастали время разработки и стоимость оборудования.

Выходом из этой ситуации может быть математическое моделирование технологического объекта: на основе построенной математической модели можно без всяких затрат проводить вычислительные эксперименты, выявляя реакции на те или иные возмущения и оптимизировать конструкцию аппарата.

Существует множество программ, решающих эти задачи. Остановимся на рассмотрении программного продукта "СhemCAD" (разработчик фирма «Chemstations Inc.», США). Эта универсальная моделирующая программа (УМП) распространена благодаря тому, что включает в себя большое количество моделей различных процессов и аппаратов, а так же имеет гибкую модульную структуру. В настоящее время с помощью этой программы можно смоделировать/рассчитать такие типы теплообменников:

пластинчатые, кожухотрубчатые, труба в трубе и множество их модификаций. "СhemCAD" позволяет проводить как проектный, так и поверочный расчёт. Результатами расчёта являются: конструктивные размеры, вес аппарата, гидродинамика потоков и приблизительная стоимость. Недостатками этого программного комплекса являются, во-первых, закрытость алгоритмов и исходных кодов – это не позволяет нам прямым путём исследовать его на предмет нахождения ошибок. Мы можем лишь догадываться на основе анализа работы программы, что расчёт ведётся по какимто дискретным, итеративным методикам и "верить на слово" разработчикам, утверждающим, что они проводили большое количество экспериментов на реальном оборудовании. Точность расчётов можно оценить только косвенно: или сравнивая с аналитическим решением какой-либо задачи, или с экспериментальными данными. Оба этих варианта неполноценны:

первый, в связи с невозможностью аналитически решить сложную задачу и, как следствие, упрощением; второй – так же связан с точностью постановки эксперимента и большими затратами.

Исходя из этого была поставлена задача оценить точность расчёта УМП "СhemCAD", проведя поверочный расчёт по методике, разработанной д.т.н. Е.Н. Туголуковым.

Сущность его методики состоит в представлении как стационарных, так и нестационарных полей определяющих параметров производственного оборудования как совокупности полей пространственно-временных элементарных областей, моделируемых аналитическими решениями систем линейных дифференциальных уравнений в частных производных с соответствующими условиями однозначности.

сред (продукты, теплоносители и хладоагенты, насадки, сорбенты, катализаторы).

Моделирование кожухотрубчатого теплообменника - есть моделирование температурного поля для теплоносителя, движущегося в режиме идеального вытеснения по каналу, образованному конструктивными элементами оборудования, и самих этих элементов на основе совместного решения системы дифференциальных уравнений. В этом случае температурное поле внутри теплоносителя может быть описано одномерным дифференциальным уравнением первого порядка в частных производных:

Граничные условия этого уравнения взаимосвязаны с граничными условиями задачи теплопроводности для элементов оборудования, контактирующих с теплоносителем.

При этом граничные условия задачи теплопроводности для элементов оборудования становятся переменными по длине зоны теплообмена.

Это, в общей постановке, практически исключает возможность прямого аналитического решения такой системы и требует использования итерационных алгоритмов.

Поэтому, за исключением ряда частных случаев, целесообразно рассчитывать температурное поле теплоносителя на основе элементарных тепловых балансов дискретных областей.

С учетом вышеизложенного, моделирование температурных полей в производственном оборудовании возможно осуществлять на основе решения систем линейных дифференциальных уравнений теплопроводности для теплопередающих элементов оборудования. Эти уравнения допускают аналитические решения.

Пространственная и временная дискретизация области осуществления теплового процесса как способ линеаризации задачи лишь внешне напоминает пространственную и временную дискретизацию, лежащую в основе численных конечно-разностных методов решения дифференциальных уравнений. Во-первых, моделирование температурного поля элементарной области системой дифференциальных уравнений в частных производных позволяет получить непрерывное температурное поле, в отличие от дискретного поля при использовании численных методов. При этом резко повышается качество расчетов тепловых характеристик процесса. Вовторых, согласование элементарных областей через граничные и начальные условия задач теплопроводности позволяет избежать накопления систематических погрешностей, присущих даже консервативным численным схемам.

Для проведения эксперимента, решим в системе "СhemCAD" такую задачу (пример взят с ОАО "Пигмент"): нужно подобрать теплообменник для подогрева продукта, вторичным водяным паром. Температура продукта на выходе должна быть как можно большей.

Исходные данные:

Состав смеси:

Расход смеси: 2500 кг/час Температура смеси: 30 0С Расход воды из колонны на подогрев смеси: 780 л/час Температура воды: 90 0С Решая эту задачу в программе "ChemCAD" мы получаем такую конфигурацию:

Поверхность теплообмена:

Коэффициент теплопередачи: 88.82 Вт/м2*К Внутренний диаметр: 1.575 см Расстояние между трубами: 3 см Температура смеси на выходе: 62.6 0С Температура воды на выходе: 55 0С Проведя поверочный расчёт по методике Е.Н. Туголукова, т.е. задавшись этими конструктивными параметрами и находя конечную температуру смеси, мы получаем результаты, представленные на рис. 2.:

Температура, 'С Ось Х представляет собой длину рабочей части теплообменника, разбитую на элементарные участки (в данном примере длина участка равна 0.05 м.) Температура смеси на выходе:

Температура воды на выходе:

Как можно видеть, результаты немного различаются, но это можно объяснить тем, что "ChemCAD" не позволяет рассчитать потери тепла в окружающую среду, которые учтены в методике Е.Н. Туголукова, поэтому с большой долей уверенности можно сказать, что в целом расчёт верен.

СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ

ХЛЕБОПЕКАРНОЙ ОТРАСЛИ

Работа выполнена под руководством к.т.н., доц. Куди А. Н По количеству предприятий, объему производства и значимости выпускаемой продукции хлебопекарная отрасль является одной из ключевых в пищевой промышленности нашей страны. В настоящее время в России насчитывается около 1500 хлебозаводов и свыше 5000 мелких предприятий, ежегодно производящих более 16 млн тонн продукции. Однако, по оценкам специалистов, на сегодняшний день только 20-30% российских хлебопекарных предприятий имеют технологическое оснащение, соответствующее современному мировому уровню. При этом, следует отметить, что большое количество хлебобулочных производств работает в непрерывном трехсменном режиме, что с одной стороны определяет более высокую стабильность технологических параметров, а с другой - предъявляет повышенные требования к надежности оборудования.

Кроме того, как правило, высокотехнологичное оборудование иностранного производства ориентированно на стабильно высокие хлебопекарные свойства муки, в то время как на российских предприятиях ежегодно перерабатывается до 50% сырья с пониженными хлебопекарными свойствами. Однородность сырья, в зависимости от помольной партии, также может иметь существенные расхождения по свойствам.

Основная проблема всей хлебопроизводящей цепочки - от зерна до готового хлеба -заключается в следующем. Хлеб в России является главным социальным продуктом: на продукты переработки зерна приходится до 40% общей калорийности пищевого рациона населения. Соответственно, существует установка о сохранении низкой цены на этот продукт. В результате такой политики многие предприятия хлебопекарной отрасли становятся убыточными, не обеспечивается даже простое воспроизводство фондов.

Если рассматривать российский рынок промышленного оборудования как совокупность социальных и экономических взаимосвязей между потребителями, производителями и посредниками, то можно с полной уверенностью сказать, что в действительности процесс взаимодействия участников рынка пока еще и не начинался. При большом числе компаний-посредников и компаний - производителей оборудования, предназначенного для выпуска хлебобулочных и кондитерских изделий, рынок не обладает достаточным количеством предложений, способных удовлетворить все запросы потребителей. Такая ситуация способствует довольно легкому входу на рынок и выходу из него. При этом, практически каждый новый участник рынка может найти здесь собственную потребительскую нишу и организовать эффективную работу.

Доля сегмента оборудования для производства хлебобулочных изделий составляет около 4% российского рынка пищевого и сельскохозяйственного оборудования.

Можно отметить, что современное хлебопечение России создавалось как единая отрасль пищевой промышленности и развивалось по общей концепции. В течение многих десятилетий ее научное сопровождение осуществлял Всесоюзный научно-исследовательский институт хлебопекарной промышленности, теперь ГОСНИИХП.

На финансово-хозяйственную деятельность хлебозаводов негативно влияют неустойчивые цены на сырье и материалы, нестабильное качество муки, ограничение рентабельности производства, административное вмешательство в экономику предприятий. В большинстве регионов не решается вопрос о создании необходимых запасов зерна для хлебопечения, что свидетельствует об отсутствии четкой политики в деле устойчивого обеспечения населения хлебом.

Хлебопекарная отрасль резко сократила свое участие в финансировании и освоении научно-исследовательских работ, используя лишь разработки прошлых периодов. Результаты научной деятельности ГОСНИИХП из-за слабой информированности крайне недостаточно используются на Российских хлебозаводах.

Для развития хлебопекарной отрасли необходимо ориентировать научный, производственный и кадровый потенциал Российского хлебопечения на решение актуальных проблем по следующим направлениям:

1.Технологии хлебобулочных изделий:

- внедрение ресурсосберегающих технологий пшеничного и ржаного хлеба с направленным культивированием микроорганизмов на заквасках, позволяющих повысить микробиологическую чистоту продукции, создать условия для выпуска изделий с лечебными свойствами, более широко использовать ускоренные способы тестоведения;

- внедрение новых технологий приготовления жидких дрожжей, в том числе по ускоренным схемам с улучшенными биотехнологичными свойствами;

- внедрение методов направленного изменения технологических свойств сырья и повышения качества хлебобулочных изделий путем применения улучшителей направленного или комплексного действия с учетом конкретных условий производства, технологий, ассортимента и свойств сырья;

- внедрение технологий хлебобулочных изделий с удлиненными сроками хранения;

- внедрение ассортимента хлебобулочных изделий с учетом профессионального, демографического состава населения и экологических особенностей регионов.

2.Техника хлебопекарного производства:

- внедрение гибкого транспорта муки и другого сырья на базе разработок ГОСНИИХП в качестве альтернативы аэрозоль - и пневмотранспорту, шнекам и нориям;

- внедрение современных систем в складах бестарного хранения муки с использованием виброднищ, новых типов просеивателей и дозаторов;

- внедрение новой техники для приготовления теста взамен агрегатов непрерывного тестоприготовления и устаревшего парка тестомесильных машин;

- внедрение тестоделителей и других формующих агрегатов, обеспечивающих высокую точность деления и щадящий режим обработки теста;

- внедрение шкафов расстойки и систем автоматического регулирования температуры и влажности;

- внедрение расстойно-печных агрегатов и хлебопекарных печей нового поколения;

- внедрение оборудования для остывания хлебобулочных изделий и их упаковывания.

3. Повышение стабильности работы:

-совершенствовать систему ценообразования хлебобулочных изделий для сохранения устойчивого уровня оптово-отпускных цен и рентабельности хлебопекарного производства не менее 15%;

-прибыль предприятий первоочередно направлять на техническое перевооружение производства и обновление технологий;

-ориентировать работу коллективов на снижение затрат в производстве путем уменьшения потерь сырья и материалов, более эффективного использования электроэнергии и топлива;

- анализировать работу передовых предприятий России для использования их опыта в новых хозяйственных условиях;

- повышать квалификацию кадров, обращая первоочередное внимание на совершенствование знаний в области новой техники и технологий, организации управления производства и маркетинга.

4.Обеспечение хлебопекарной отрасли сырьем:

- обратиться в государственные органы власти с просьбой о создании в областях, краях и республиках региональных фондов зерна для нужд хлебопечения, гарантирующих производство хлебопекарной муки в количествах, необходимых для устойчивого обеспечения населения хлебом;

- региональным органам власти совместно с хлебопекарными и мельничными предприятиями составлять ежегодные балансы расчетной потребности в хлебобулочных изделиях, а также муки и зерна необходимых кондиций;

- формировать требования по качественным показателям и безопасности муки и другого сырья и предъявлять их поставщикам.

АНАЛИЗ СПОСОБОВ И УСТРОЙСТВ

ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК ЗЕРНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ

Работа выполнена под руководством д.т.н., проф. Першина В. Ф.

Зернистые (сыпучие, гранулированные, порошкообразные) материалы, вроде песка или сахара, окружают человека и в повседневной жизни, и в природе (геологические и тектонические процессы). Они широко применяются в различных технологических процессах. Относительно недавно появился новый термин – порошковые технологии. Зернистые материалы имеют некоторые свойства как твердых тел, так и жидкостей и газов, а в некоторых условиях ведут себя совершенно особым образом.

Физико-механические свойства или характеристики зернистых материалов обычно разделяют на первичные и вторичные. К первичным относятся свойства, присущие отдельной частице (размер, форма и т.д.) и материалу, из которого она состоит (твердость, упругость, влажность, гигроскопичность, плотность, насыпная плотность, температуры плавления и воспламенения и т.д.). Вторичные характеристики присущи совокупности большого числа частиц, контактирующих друг с другом, т.е. они характеризуют зернистый материал в целом: гранулометрический состав, углы естественного откоса, обрушения, трения, шпателя, скольжения, трения о поверхность, предел текучести, начальное сопротивление сдвигу и т.д.

Несмотря на то, что и размеры, и форма частиц, и насыпная плотность зернистого материала влияют на точность дозирования, перемещение в транспортирующих машинах, смешивание и хранение, наиболее существенное влияние оказывают такие характеристики, как коэффициенты трения. Это можно объяснить тем, что именно от коэффициентов трения наиболее существенно зависит характер движения отдельных части и всего материала в целом.

Между частицами зернистого материала существуют различной природы силы взаимодействия [1], объединяемые одним термином – аутогезия. Аутогезионные силы придают зернистому материалу способность оказывать сопротивление сдвигающим, сжимающим и разрывным усилиям. Любая деформация сыпучего материала сопровождается сдвигом, т.е.

проскальзыванием частиц одного слоя относительно частиц другого слоя.

В отличии от жидкостей зернистые материалы способны выдерживать определенные усилия сдвига. Другими словами, деформация в зернистых материалах не наступает до тех пор, пока не преодолено некоторое напряжение сдвига, которое называют предельным сопротивлением сдвигу.

Связь между и нормальным давлением на плоскость скольжения слоев выражается обобщенным законом Кулона:

где f – коэффициент внутреннего трения; 0 – начальное сопротивление сдвигу (удельное значение сил аутогезии между частицами зернистого материала).

Для идеально сыпучих зернистых материалов 0 = 0, а для связных зернистых материалов, которых большинство, 0 0.

Значения 0 определяют путем зависимостей = f(), построенных по результатам испытаний порций зернистого материала на специальных сдвиговых приборах.

Существуют различные подходы к экспериментальному определению коэффициентов трения.

Одним из наиболее простых является способ определения коэффициента внутреннего трения с использованием угла естественного откоса и обрушения. На рис.1 показана схема устройства, на котором можно одновременно определять эти углы. Устройство состоит из прозрачного короба 1, установленного с помощью стоек 2 на основании 3. В дне короба имеется прямоугольное отверстие с задвижкой 4. Под отверстием установлен усеченный конус 5. Под конусом, на основании 3, расположена приемная емкость 6. На стенке короба имеется угловая шкала 7, а на одной из стоек линейная шкала 8.

Последовательность определения углов естественного откоса и обрушения следующая. В короб 1 засыпается исследуемый материал. Задвижка 4 убирается и часть материала высыпается из короба в приемную емкость 6, а излишки на основание 3. Открытая поверхность материала, оставшегося в коробе, образует с горизонтальной плоскостью угол обрушения, численное значение которого определяется по шкале 7. Материал, высыпавшийся из короба, образует на приемной емкости конус. Угол между образующей конуса и горизонтальной плоскостью численно равен углу естественного откоса. С помощью кольца 9, жестко закрепленного на подвижной штанге 10, по шкале 8 определяют высоту усеченного конуса Н. Угол естественного откоса рассчитывают по формуле:

Для определения коэффициентов внутреннего и внешнего трения зернистого материала Европейский стандарт (Standard Shear Testing Technique for Particulate Solids) [2] рекомендует прибор Дженике, схема которого показана на рис.2.

Рис. 2 Установка для определения сдвиговых реакций Рекомендуется следующая методика измерений. Зернистый материал засыпается в секции 1-3 и выравнивается по краю верхней секции. Далее на материал через прижимную плиту 4 передается усилие для его уплотнения, равное последующей нагрузке. После чего верхняя секция 1 снимается вместе с материалом до верхнего уровня секции 2. На материал укладывается опорная плита 5, на которую устанавливается гиря с определенным весом. В результате действия вертикальной нагрузки Р, в зернистом материале возникают определенные нормальные напряжения. посредством винтового привода 8 на секцию 2 передают сдвигающее усилие, величина которого фиксируется динамометром 6. В результате действия горизонтальной нагрузки G, в зернистом материале возникают определенные касательные напряжения. Величину усилия G увеличивают до тех пор, пока секция 2 не сдвинется относительно секции 1. Коэффициент внутреннего трения рассчитывается исходя из соотношений горизонтальной и вертикальной нагрузок.

При определении коэффициента внешнего трения, т.е. трения, которое возникает при сдвиге зернистого материала относительно твердой поверхности, вместо неподвижной секции 3 устанавливают пластину из определенного материала.

Определенный интерес представляют приборы, в которых касательные напряжения рассчитывают исходя из экспериментально определенного крутящего момента.

Анализ результатов экспериментального определения коэффициентов внешнего и внутреннего трения различных зернистых материалов, на одних и тех же приборах, в различных университетах мира показал, что большое влияние на полученные результаты оказывают субъективные факторы. Проведенные исследования показали, что основной причиной погрешностей является процедура предварительного уплотнения зернистого материала в секциях 2 и 3.

1. Кормильцин Г.С., Борщев В.Я. Механическое оборудование химических производств: Конспект лекций. – Тамбовск. ин-т хим. машиностр., Тамбов, 1992. 114с.

2. Standard shear testing technique for particulate solids using the Jenike shear cell. THE INSTITUT OF CHEMICALENGINEER EUROPEAN FEDERATION OF CHEMICAL ENGINEERING – Published by the Institution of Chemical Engineers, George E. Davis Building, 165-171 Railway Terrace, Rugby, Warwickshire, CV21 3HQ, England, 1989-46p.

Технологические процессы, машины Руководитель программы д.т.н., проф. Беляев П. С.

МОДИФИКАЦИЯ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ

РЕЗИНОВОЙ КРОШКОЙ

Работа выполнена под руководством д.т.н., проф. Беляева П.С.

Ежегодное увеличение парка автомобилей приводит к постоянно возрастающей нагрузке на дорожное полотно, что приводит к более быстрому разрушению дороги.

В настоящее время на территории России наблюдаются следующие тенденции:

- парк автотранспортных средств увеличивается на 7-10 % в год и к концу 2005 года составит 65 млн.ед.

- объем перевозок пассажиров и грузов возрастет в 2-3 раза - около 8 тыс. км. автомобильных дорог работает в режиме перегрузки - ежегодная сумма потерь, связанных с недостаточным развитием дорожной сети и ее техническим состоянием, оценивается в 450- млрд.руб Для решения этой проблемы необходимо обеспечить более высокое качество дорожного полотна, повысить его прочностные свойства и «жизненный цикл» до момента капитального ремонта.

Добиться этого можно, улучшая качественные характеристики компонентов входящих в состав асфальтобетона (каменные материалы, песок, вяжущее). Использовать более качественные каменные материалы и пески может позволить себе не каждая область поскольку месторождения этих материалов расположены неравномерно. Перевозка материалов требует дополнительных затрат поэтому особую значимость для повышения темпов строительства автомобильных дорог и снижения затрат на него приобретает комплексное применение местных материалов и отходов промышленности в производстве конструкций дорожных одежд. Зачастую местные материалы, отвечая требования предъявляемым к ним ГОСТом, не обеспечивают хороших эксплуатационных характеристик дорог. Наиболее эффективным путем повышения качества дорожной одежды является, улучшение качества вяжущего (битума), путем его модификации, т.е. введением в состав битума добавок улучшающих его эксплуатационные свойства.

Наиболее часто используемыми модификаторами дорожного битума являются полимерные материалы. Учитывая тот факт, что полимерные материалы в ”чистом” виде достаточно дорогой материал, то наиболее перспективным направлением является использование отходов полимерных материалов. Наиболее крупнотоннажными отходами такого рода являются резиновые изделия и резиновые шины. Многочисленные изношенные шины образуют огромные полигоны. Поскольку резиновые изделия и шины устойчивы к воздействию внешних факторов (солнечной радиации, дождям, температурным перепадам), то они могут длительное время лежать, накапливаясь и занимая все более обширные территории. Многочисленные научные работы подтверждают, что износ шин происходит из-за расслоения и разрыва структуры верхнего слоя шин, однако свойства резины при этом не сильно изменяются относительно первоначальных.

Переработанные в резиновую крошку шины являются прекрасным модификатором битума.

- резиновая крошка не теряет своих свойств при рабочей температуре битума 150-1600С - улучшает адгезионые свойства битума - повышает сдвигоустойчивость асфальтобетона при высоких температурах - повышает трещинностойкость асфальтобетона при низких температурах - благодаря лучшей адгезии, модифицированный резиновой крошкой битум, позволяет экономить расход битума на 2-4 % В работе проведены исследования асфальтобетонных покрытий на дорожном битуме марки БНД 60/90 и модифицированном резиновой крошкой битуме. Модификацию проводили по непрерывной технологии на лабораторном двухшнековом смесителе. Смесь содержала 6 и 9 % резиновой крошки от общей массы битума диаметром 0,8 – 1 мм. (указанная фракция не является очень мелкой, более мелкое измельчение приводит к подорожанию резиновой крошки, что менее выгодно с экономической точки зрения - цена за одну тонну, с учетом НДС 8200 рублей). По сравнению с исходным битумом мы наблюдали падение индекса пенетрации, что свидетельствует о увеличении вязкости системы, также увеличилась температура размягчения по сравнению с исходным битумом. После проведения процесса модификации битум оставался в пределах своей марки 60/90.

На основе полученного резино-битумного вяжущего были проведены исследования свойств асфальтобетона и сравнены со свойствами асфальтобетона на исходном битуме.

Была спроектирована асфальтобетонная смесь для III дорожноклиматической зоны марки Б, II типа и проведены исследования асфальтобетона на основе обычного битума и битума модифицированного резиновой крошкой. Полученные данные показали, что:

- трещиностойкость образцов асфальтобетона с модифицированным битумом выросла на 20 % - прочность при 500С возросла на 25 % - увеличение морозостойкости на 10 % - завышенный показатель водонасыщения, на 2-7 % выше обычного - сокращение содержания битума в смеси на 2 %, без потери эксплуатационных свойств Учитывая итоги экспериментов из проделанной работы можно сделать вывод, что резиновая крошка, как модификатор, решает сразу две острые проблемы на сегодняшний день:

1. Утилизации резиновых покрышек 2. Улучшение эксплуатационных характеристик асфальтобетона По опыту работы иностранных дорожно-строительных организаций на 1 километр покрытия для 4-х полосной дороги (13м) уходит примерно 1000-1500 шин.

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ

АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ

НА ОСНОВЕ ШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ

НОВОЛИПЕЦКОГО МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО КОМБИНАТА С

РЕЗИНОБИТУМНЫМ ВЯЖУЩИМ

Работа выполнена под руководством д.т.н., проф. Беляева П.С.

Развитие сети автомобильных дорог с твердым покрытием, во многих областях России, и в частности в центральном Черноземье, сдерживается дефицитом кондиционных каменных материалов и вяжущих веществ.

Особую значимость для повышения темпов строительства автомобильных дорог и снижения затрат на него приобретает комплексное применение местных материалов и отходов промышленности в производстве конструкций дорожных одежд.

Целью работы является: изучение свойств асфальтобетонные смесей приготовленных на основе шлаков из отходов литейного производства с использованием резинобитумного вяжущего, а так же выявление закономерностей поведения асфальтобетонных смесей при различных свойствах вяжущего и различном содержании его в смеси.

Для изготовления асфальтобетона использовался дорожный битум марки БНД 60/90, модифицированный резиновой крошкой в количестве 6% и 9% от массы битума. В качестве каменной основы были использованы шлаки доменного производства фракции 5-10 мм., отсев шлаковый фракции 0-5 мм., песок Покровского карьера - модуль крупности 1,4.

На перечисленных выше материалах была составлена асфальтобетоновая смесь марки Б, для дорог II категории в условиях III дорожноклиматической зоны, с содержанием вяжущего: от 6% до 9 % от общей массы смеси.

Анализ проведенных исследований показал, что асфальтобетон на основе резинобитумного вяжущего проявляет большую устойчивость при высоких температурах, о чем свидетельствуют показатели прочности испытываемых образцов при 50°С. Значения прочностных показателей, полученные на асфальте с резинобитумным вяжущим, с добавлением резиновой крошки в 1,5-2,5 раза превышают значение ГОСТа. Асфальтобетон, модифицированный резиновой крошкой, более устойчив к трещинообразованию; показатели прочности превышают прочность образцов стандартной технологии на 15-20 %. В рамках эксперимента проводились исследования по определению морозоустойчивости асфальтобетона. Исследования проводились по следующей методике: образцы асфальтобетона выдерживались при отрицательных температурах (-20°С) и быстро переносились в теплую среду (вода с постоянно поддерживаемой температурой +20°С). Многочисленный перенос асфальтобетона из одного температурного режима в другой (количество циклов «заморозки - раз-морозки» равно 5) позволяет создать в лабораторных условиях экстремальные погодные условия, при которых идет интенсивное разрушение дорог. В созданных знакопеременных температурных условиях образцы сохранили свой внешний вид, а испытание их на прочность показало, что асфальтобетон на основе резинобитумного вяжущего сохраняет прочностные показатели на 5выше, чем образцы стандартной технологии. При этом наблюдается несколько завышенный показатель водонасыще-ния у образцов, асфальтобетона из шлаковых материалов, полученных по стандартной и новой технологии, Однако, у образцов наблюдается увеличение прочности, что указывает на хорошее сцепление битума со шлаком, а так же на гидратацию шлакового порошка, приводящую к возникновению устойчивых к воде кристаллизационных связей.

Исследование влияния процентного содержания битума в асфальтобетонной смеси показало, что использование модифицированного резиновой крошкой битума позволяет снизить его процентное содержание по сравнению с обычным битумом на 2-3%.

Поскольку битум в асфальтобетонных композициях наиболее дорогой материал, то, сокращая его содержание, без потери свойств смеси, мы можем говорить о значительной экономической выгоде предложенной технологии.

Полученные результаты исследований показали, что асфальтобетон на основе резинобитумного вяжущего обладает большей устойчивостью к внешним разрушающим факторам и, следовательно, более долговечен в эксплуатации. Применение данной технологии позволит продлить срок эксплуатации покрытия до начала ремонтных работ, что экономит затраты на содержание дороги.

МОДИФИКАЦИЯ АСФАЛЬТОВЫХ ПОКРЫТИЙ

ОТХОДАМИ ПОЛИМЕРНОЙ ТАРЫ И УПАКОВКИ

Работа выполнена под руководством д.т.н., доц. Беляева П.С.

За последнее время особо остро во всем мире рассматривается вопрос экологической безопасности человечества. Возрастающие в геометрической прогрессии количество отходов занимает все более обширные территории нашей планеты, загрязняя занимаемые площади, сточные воды, губительно сказываясь на здоровье людей и дестабилизируя экологическую систему в целом.

Самым крупнотоннажным отходом полимерной индустрии были и остаются отходы полимерной промышленности.

Одним из направлений использования полимерных отходов является применение их в качестве добавок к дорожным битумам для строительства дорог.

Срок службы асфальтобетонных покрытий на автомобильных дорогах и мостах составляет шесть лет. Однако за последние десятилетия он стал, к сожалению, катастрофически сокращаться, а это в свою очередь приводит к тому, что сейчас более 90 процентов материальных, трудовых, энергетических ресурсов, выделяемых дорожной отрасли, идет на ремонт и реконструкцию. [3] Одной из проблем современного дорожного строительства является повышение долговечности асфальтобетонных покрытий и получение устойчивых к старению битумных и битумополимерных вяжущих. Для решения технологических задач по созданию композиционных материалов с заданными свойствами необходимо расширение сырьевой базы за счет всестороннего использования твердых отходов полимеров. [2] Одним из способов улучшения экспериментальных характеристик органических вяжущих (битумов или дегтей) является введение в них полимеров, что позволяет изменить одно или несколько таких свойств, как их чувствительность к изменению температуры, когезию, упругость и предел усталости.

Сложные процессы изменения свойств вяжущих, которые могут происходить одновременно, схематично можно представить следующим образом: после первого этапа, на котором вводят полимеры в вяжущее, происходит модификация вяжущего в результате частичного или полного растворения полимера; набухания полимера, впитывающего вяжущее; химической реакции полимера с вяжущим под действием катализатора (явление привитой полимеризации); химической реакции между добавками, образующими трехмерную структуру, содержащую вяжущее (в случае образования поперечных связей эпоксидных смол).

При этом учитываются следующие основные параметры: природа добавок, от которой зависят их характеристики и совместимость с изменяемым вяжущим; вязкость; типы используемого оборудования для приготовления вяжущих, температура, продолжительность перемешивания, потребляемая энергия [3].

Условия приготовления модифицированных вяжущих оказывают непосредственное влияние на их свойства.

В последнее время вырисовались контуры теоретических предпосылок, позволяющих прогнозировать состав и свойства полимербитумных композиций. Они базируются на следующих положениях:

полимербитумные композиции в подавляющем большинстве представляют физические смеси, при получении которых не образуются новые химические связи;

создание устойчивых полимербитумных композиций обуславливается сходством химической природы их компонентов, которое может быть характеризовано близостью значений параметра растворимости. [2] Битумы - это коллоидно-дисперсные системы. При совмещении с полимерами они могут резко изменяться вплоть до полного разрушения.

Модификация битумов может происходить в результате изменения и увеличения количества его дисперсной фазы, изменения свойств дисперсионной среды битума коллоида или в следствии образования нового грубодисперсного композиционного материала Задачи получения оптимальных по свойствам и качествам композиций - сохранение полезных свойств битума при совмещении с полимерными материалами; придание композиции свойств максимально приближающихся к свойствам полимера при минимальной добавке последнего.

[1] Высокая долговечность дорожного покрытия невозможна без достаточной коррозионной стойкости и устойчивости к старению, а эти свойства так же во многом определяются свойствами вяжущего [3]. Основным из многочисленных факторов, влияющих на резкое снижение сроков службы асфальтобетонных покрытий, является применение в асфальтобетонных смесях битума (вяжущего) низкого качества. Однако положительного воздействия на долговечность дорожного покрытия в целом можно достичь, если для приготовления дорожного покрытий использовать вяжущее с меньшей теплочувствительностью, более широким интервалом упруговязко-пластичного состояния, с более высокими когезионными и вязкостными показателями при положительных температурах, и с высокой эластичностью и растяжимостью путем введения в битум полимерного модификатора.

Анализируя опыт работ, проведенных в нашей стране и за рубежом можно сказать, что в странах Евросоюза полимер как модификатор применяется очень успешно на протяжении последних 10-15 лет. Так в Германии и в Америке все дороги построены на основе модифицируемых полимерами битумах. В нашей стране так же ведутся работы по введению в асфальтобетонные покрытия полимеров. Отмечено, что дороги на основе ПБВ (полимерно-битумно вяжущих) обладают большей устоичивостью чем дороги, построенные на основе обычного битума.

1. М. Гульц, Журнал “Автомобильные дороги №7 ”, 1998 г., г. Волгоград.-С.4 - 2. О.В. Давиденко. “Строительные материалы и изделия”. г. Самара.С46-83.

3. “Дорожные асфальтобетоны”. Изд-во “Транспорт” – 1985 г. под ред. А.Б Гейзенцвеия., Н.В Горелышев., И.В Королев. С.3-21,162-169, тепломассообменных процессов Руководитель программы д.т.н., проф. Коновалов В. И.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА УДАЛЕНИЯ ПРИМЕСЕЙ

ИЗ ПАСТ ОРГАНИЧЕСКИХ ПИГМЕНТОВ

Работа выполнена под руководством к.х.н., проф. Утробина Н. П.

Области применения органических пигментов очень многочисленны и разнообразны. Они используются для окрашивания пряжи и тканей, кожи и меха, бумаги и дерева, различных видов пластмасс, резины, пищевых продуктов и т.п. Органические красители применяются для изготовления лакокрасочных материалов, художественных красок, цветных карандашей, чернил и типографских красок.

Надо учесть при этом, что для окрашивания различных материалов необходимы различные по физико-химическим свойствам пигменты.

Для офсетной печати пигменты должны обладать пониженным содержанием водорастворимых примесей, так как контроль качества процесса на современных ротационных аппаратах осуществляется измерением электрических свойств красящего состава.

Основной качественной характеристикой пигментов рубиновых, выпускаемых на Тамбовском ОАО «Пигмент», используемых в качестве основного компонента печатного офсетного состава, помимо гранулометрического состава, является электропроводность.

Электропроводность пигмента зависит от количества примесей в нем и должна составлять менее 1,98·10-2 См/м. По существующей технологии производства пигмент содержит значительное количество солей, имеющих большую удельную проводимость, поэтому для обеспечения качества продукта его подвергают дополнительной очистке. Согласно [1], наибольшее влияние на проводимость оказывают содержащиеся в пасте ионы Cl, потому что они являются потенциал-образующими ионами.

Так как вся суспензия в целом электрически нейтральна, то в дисперсионной среде должны быть заряды противоположного знака, компенсирующие заряды частиц и расположенные в непосредственной близости от их поверхности. [1] Слой зарядов частиц, компенсирующийся зарядами жидкости, называется двойным электрическим слоем, который имеет следующее строение. [1] Рис. 1. Строение двойного электрического слоя Непосредственно на поверхности частицы расположены так называемые потенциал-образующие ионы (рис. 1.) имеющие отрицательный заряд, плотно к ним примыкает часть ионов с противоположным зарядом, не компенсирующих полностью действие потенциал-образующих ионов.

Остальная часть противоположно заряженных ионов (противоионов) расположена на некотором расстоянии от поверхности частицы, образуя так называемую диффузную часть двойного электрического слоя, в которой плотность зарядов убывает по мере удаления от поверхности. Противоионы могут быть сольватированы (гидратированы) и, таким образом, даже гидрофобная частица благодаря своему заряду может удерживать вокруг себя гидратную оболочку — жидкость, связанную с частицей.

В рассматриваемом случае молекула пигмента содержит гидрофильные двойные связи и радикал ОН, а так же гидрофобный радикал СН3, что может приводить к усложнению процессов фильтрования и промывки.

При продавливании жидкости через капилляры сформированного слоя осадка, благодаря механическому отрыву диффузной части двойного электрического слоя от компенсирующих его зарядов поверхности возникает явление, называемое потенциалом протекания, состоящее в том, что между концами капилляра появляется разность потенциалов.

Механизм влияния величины потенциала на процесс фильтрования можно объяснить так: увеличение отрицательного значения потенциала увеличивает степень гидрофильности (гидратацию) частиц, так как вода всегда имеет некоторый избыточный положительный заряд и, таким образом, создается неподвижная пленка жидкости, уменьшающая эффективное сечение капилляров. [1] Из сказанного выше видно, какое влияние на структуру осадка и, следовательно, на скорость фильтрования оказывает изменение концентрации электролитов в суспензии или появление других примесей, изменяющих физико-химическое равновесие в системе.

Агрегация и гидратация частиц оказывают большое влияние на величину свободного сечения капилляров, по которым течет жидкость.

Часть пор осадка (внутри агрегатов или на поверхности частиц) заполняется неподвижной жидкостью, которая иногда закупоривает все мелкие поры.

Сложный характер явлений, протекающих при промывке, приводит к тому, что в зависимости от конкретных свойств слоя осадка и фильтрата или от стадии промывки, определяющей является гидродинамическая или диффузионная составляющая процесса.

При промывке осадка происходит замещение фильтрата — жидкости, характеризующейся некоторой концентрацией растворенных в ней веществ, на другую жидкость, в которой растворенные вещества либо полностью отсутствуют, либо присутствуют в меньшей концентрации.

[1,2] Одним из предельных случаев распределения концентраций является случай полного вытеснения жидкости, другим — случай полного перемешивания. Реальный случай — случай промежуточного типа (частичного перемешивания).

Вопросы расчетного определения полей концентраций жидкостей в режиме частичного перемешивания достаточно хорошо разработаны применительно к ректификационным, абсорбционным аппаратам (в том числе насадочным), химическим реакторам. [1,2] К сожалению, в процессе промывки осадков подобные методы не получили еще распространения, хотя слой осадка с капиллярами, в которых течет жидкость, может быть уподоблен аппарату насадочного типа, в котором осуществляется вытеснение одной жидкости другой и перемешивание этих жидкостей. В этом случае объем пор можно уподобить свободному объему аппарата.

Тогда в случае идеального вытеснения за время должно вытесниться теоретически 100% вымываемого вещества.

Экспериментально установлено, что процесс вымывания примесей из слоя пасты пигмента рубинового не обеспечивает требуемую высокую степень чистоты, так как удаляемые промывкой вещества в той или иной мере связана с твердой фазой (адсорбционные силы, тупиковой опоры).

Поэтому для его удаления до требуемой концентрации необходимо больше времени, чем это можно определить теоретически.

Перечисленные процессы удаления водорастворимых примесей протекают с неодинаковой скоростью и не гарантируют высокого качества целевого продукта, поэтому процесс промывки целесообразнее вести с разрушением структуры слоя осадка и перемешиванием последнего с промывной жидкостью.

Были проведены экспериментальные исследования по определению эффективности удаления примесей из паст пигментов рубиновых репульпацией. На рис. 3 приведена зависимость, характеризующая чистоту осадка от соотношения между количеством исходной суспензии и количеством жидкости на репульпацию.

По полученным экспериментальным данным можно сделать вывод:

репульпация в данном случае дает худшие результаты, чем промывка в плотном слое осадка в режиме близком к идеальному вытеснению именно из-за высокой степени адсорбции примесей к поверхности частиц органического пигмента.

1.Малиновская Т.А. Разделение суспензий в промышленности органического синтеза. М: Химия, 1971 г., 320 с.

2. Жужиков В.А. Фильтрование. Теория и практика разделения суспензий. М: Химия, 1971 г., 340 с.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КАТАЛИЗАТОРОВ ПРОЦЕССА

ОКИСЛЕНИЯ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЕЙ

Работа выполнена под руководством к.х.н. В. Н. Борща ИСМАН РАН В настоящее время проблема создания катализаторов для окисления выхлопных газов двигателей стоит особенно остро. Это связано с тем, что имеющиеся на сегодняшний день катализаторы имеют ряд существенных недостатков, основным из которых можно считать стоимость.

Для исследования новых катализаторов предложена установка, показанная на рисунке 1.

Рис 1. Схема установки для испытания катализатора.

1 – реактор, 2 – слой катализатора, 3 – рубашка обогрева, 4 – термопара, 5 – патрубок для подачи газов, 6 – патрубок для отвода газов,7 – хроматограф, 8 – ротаметр, 9 – баллон с модельной смесью газов, 10 – контрольная термопара, 11 – блок поддержания температуры реактора, 12 – регулятор расхода газовой смеси Установка состоит из цилиндрического проточного реактора c поворотным потоком газа 1 с диаметром внутреннего вкладыша35 мм со слоем катализатора 2 на подложке из волокнистого материала, термопары для контроля температуры в реакторе, хроматографа 7, расходомера 8 и баллона с модельной смесью газов 9. Нагрев катализатора осуществляется преимущественно потоком модельной газовой смеси, нагретой у стенок реактора. Таким образом конструкция воспроизводит работу реальных катализаторов, где катализатор нагревается разогретыми выхлопными газами.

Модельная смесь газов состоит из 1,0 % пропана, 1,5 % оксида углерода (II), 5,8 % кислорода и 91,7 % азота.

Испытание образца проводится следующим образом:

Навеска образца (гранулы или пористая монолитная таблетка) помещается на подложку, после чего через реактор продувается модельной смесью газов. Скорость продувки газа в реакторе близка к скорости выхлопного газа на выходе из двигателя и составляет 120000 ч -1. Эксперимент проводится при температуре от 100 до 300 – 400 С (в зависимости от активности катализатора) через каждые 20 – 25 С. Продукты реакции анализируются хроматографически.

Эффективность катализатора оценивается по значениям температур, при которых полное окисление оксида углерода (II) и пропана достигает 90 %.

1. J. Haber. Concepts in Catalysis by Transition Metal Oxides. Surface Properties and Catalysis by Non-Metals. P. Reidel Publishing company. 1983, p. 1-45.

2. В.И. Панчишный. Каталитическое обезвреживание отработавших газов двигателей внутреннего сгорания. Сб. Глубокое каталитическое окисление углеводородов. М: Наука, 1981 г. с. 145 – 168.

3. P.L. Villa, S. Capagna, L. Lietti. Laboratory Reactors for Catalysis Gas – Solid Reactions. Combinatorial Catalysis and High Throughput Catalyst Design and Testing. London: Kluwer Academic Publishers, 2000. p. 363 – 389.

МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ

И СЕРТИФИКАЦИЯ

Метрологическое обеспечение контроля качества, свойств и состава веществ, Руководитель программы д.т.н., проф. Чуриков А. А.

Ходилин С. В., Пономарев С. В., Дивин А. Г., Мозгова Г. В.

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС

ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНЫХ ТЕПЛОФИЗИЧЕСИХ

И РЕОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

НЕНЬЮТОНОВСКИХ ЖИДКОСТЕЙ МЕТОДОМ СДВИГОВОГО

Работа выполнена под руководством к.т.н., доц. Дивина А. Г.

ТГТУ, Кафедра «Автоматизированные системы и приборы»

Современный научно-технический прогресс (НТП) во многом определяется взаимодействием и развитием науки, техники, технологии и производства, поэтому повышение эффективности проводимых экспериментальных научных исследований в технической области играет решающую роль в развитии НТП.

Одним из решающих факторов повышения эффективности экспериментальных научных исследований является автоматизация процессов сбора, обработки информации, её представления и регистрации в ходе экспериментальных исследований. Существующие и разрабатываемые промышленные объекты, лабораторные и экспериментальные установки и устройства в той или иной степени требуют оснащения различными средствами автоматизации.

В настоящее время на кафедре “Автоматизированные системы и приборы” Тамбовского государственного технического университета разрабатывается установка по определению эффективных теплофизических и реологических характеристик жидких полимерных материалов, относящихся к классу неньютоновских жидкостей, при их сдвиговом течении.

При сдвиговом течении наблюдается ориентирование макромолекул полимерного материала в направлении скорости сдвига. Для ориентированных твердых полимеров характерно наличие такого явления как анизотропия теплофизических характеристик. К примеру, значение теплопроводности ориентированного твердого полимера в направлении ориентации возрастает в 5-10 раз по сравнению со значением теплопроводности неориентированного образца и снижается на 20-30% в направлении, перпендикулярном ориентации [1]. Существует предположение [1], что аналогичное явление (явление анизотропии ТФХ) имеет место и в сдвиговых потоках расплавов полимеров, однако, это до настоящего времени экспериментально не подтверждено из-за отсутствия необходимых средств измерения ТФХ расплавов полимеров в сдвиговых потоках. Между тем, знание зависимости ТФХ от скорости сдвига имеет большое практическое значение при намеренном создании технологических потоков расплавов полимеров с заданными теплофизическими свойствами.

Автоматизированный комплекс разрабатываемой экспериментальной установки включает в себя измерительное устройство ИУ, выполненное на базе двух коаксиальных цилиндров, в зазоре между которыми размещается исследуемая неньютоновская жидкость; термостат ТС, предназначенный для выполнения, в соответствии с математической моделью температурного поля измерительного устройства, граничных условий; персональный компьютер с подключенными к нему платой сбора данных и платой реле, а так же ряд преобразователей, обеспечивающих целостное функционирование автоматизированного измерительного комплекса (рисунок 1).

Управление процессом экспериментального исследования теплофизических свойств неньютоновских жидкостей и его контроль ведется посредством разработанного в среде LabView 7.0 фирмы National Instruments программного обеспечения автоматизированного комплекса.

Программное обеспечение выполнено в виде панели виртуального прибора (рисунок 2), позволяющего проводить экспериментальные исследования в режиме реального времени.

Одной из принципиально важных функций программного обеспечения является регистрация экспериментальных данных в отдельно создаваемый файл, что позволяет в дальнейшем воспроизводить ход проделанных экспериментов.

В настоящее время ведется тестирование разработанного автоматизированного измерительного комплекса.