Реологические модели водоугольных суспензий

Общие положения

 

Самостоятельная работа по определению физических свойств водоугольных суспензий по дисциплине «Безотходные технологии обогащения и комплексная переработка угля» выполняется в сроки, установленные учебным планом специальности.

Целью работы является закрепление студентами теоретических знаний и практических навыков, полученных в разделе «Физические процессы в нетрадиционных геотехнологиях» при изучении основных физических характеристик водоугольных суспензий. При этом основные физические характеристики определяются механическим состоянием водоугольных суспензий и результатами их сжигания.

Задачами самостоятельной работы являются: построение реологических моделей течения водоугольных суспензий по вискозиметрическим измерениям; определение низшей и высшей теплоты сгорания водоугольных суспензий.

Руководителем самостоятельной работы является преподаватель кафедры ОПИ. Он определяет задание каждому студенту или группе студентов. В задании указываются характеристики исходного материала и полученной из него водоугольной суспензии, физические характеристики которой требуется определить. Задание выдается на специальном бланке с указанием срока защиты, которое прилагается к пояснительной записке (приложение). В обязанности руководителя входят: консультации и контроль за качеством выполнения работы.

Ответственность за достоверность обоснований и расчетов несет студент. Законченная работа сдается на проверку руководителю и защищается ему или комиссии, назначенной заведующим кафедрой.

Результаты выполнения самостоятельной работы могут быть использованы при выполнении дипломных работ или проектов.

Теоретические положения

 

Методы измерения реологических параметров

 

Известно два основных метода получения реологических характеристик указанных выше типов жидкостей, а именно:

1) непосредственное установление связи напряжения сдвига со скоростью сдвига путем приложения к образцу однородного сдвига в специально сконструированном приборе и измерения соответствующего напряжения сдвига. Вискозиметры, использующие этот принцип, представляют собой обычно ротационные устройства в виде соосных цилиндров или конуса и пластины;

2) установление зависимости между напряжением и скоростью сдвига косвенным способом – по измерениям перепада давления и расходу жидкости в прямолинейном канале или в вискозиметрах с капиллярной трубкой. В таких проборах скорость сдвига непостоянна поперек канала, а изменяется от нуля на оси трубы до максимума на стенке. Следовательно, результаты измерений и их истолкование не столь очевидны и достоверны.

Для определения реологических свойств на ротационных вискозиметрах проводят замеры в указанной последовательности:

· устанавливают диапазон скоростей деформации, перекрывающий рабочий диапазон, причем шаг замеров может быть неравномерным – более плотным в области преимущественного использования ВУС;

· измеряют напряжения сдвига на всем диапазоне фиксированных настроек скоростей по методике, указанной в паспорте прибора.

Затем, используя численный метод аппроксимации через минимизацию – метод наименьших квадратов, рассчитывают реологические параметры.

 

Принцип работы вискозиметра

 

Ротационные вискозиметры используются для определения вязкости ньютоновских жидкостей и проведения реологических исследований неньютоновских систем. Измерения проводятся по методу коаксиальных цилиндров (возможно также проведение исследований методом конус-плоскость).

Вискозиметр (рис. 2.1) состоит из основного блока 1, включающего измерительное устройство с механико-электрическим преобразователем 2 и коробку передач 3 с двигателем, и блока измерений 4.

Система коаксиальных цилиндров включает внутренний вращающийся измерительный цилиндр 5 и измерительную цилиндрическую емкость (неподвижный внешний цилиндр) 6 со съемной мерной чашечкой 7; на измерительную емкость может надеваться термостатирующее устройство (на рисунке не изображено). Переключатель 8 позволяет в 10 раз менять чувствительность системы измерения усилия вращения внутреннего цилиндра. Рукоятка 9 обеспечивает переключение 12-ступенчатой коробки передач; номер включенной передачи фиксируется в отверстии 10. Переключатель 11 изменяет скорость вращения двигателя ω.

Блок измерения 4 фиксирует усилие вращения α (индикатор 12) и реальную частоту сети n (индикатор 13). При точной работе приведенные в таблице значения ω и γ умножаются на коэффициент n/50, в котором реальная частота сети определяется по резонирующей (размазавшейся) метке индикатора 13. На внешней панели блока измерений находятся также выключатели двигателя 14 и измерительного устройства 15.

 

Рис. 2.1. Устройство ротационного вискозиметра.

 

Значения скоростей вращения измерительного цилиндра со (об/мин) при различных положениях переключателя 9 и положении I а! переключателя 11 приведены в таблице 2.1. Также в таблице 1 приведены значения скоростей сдвига у в зазоре между цилиндрами для используемого в практикуме внутреннего цилиндра.

Таблица 2.1 – Значения скоростей вращения и сдвига

N передачи
ω, об/мин	0, 56	1, 0	1, 7	3, 0	5, 0	9, 0
γ, с-1	3, 0	5, 4	9, 0	18, 2		48, 6

 

Для положения I bI переключателя 11 значения γ и ω вдвое ниже приведенных в таблице 2.1.

Структура и СОДЕРЖАНИЕ ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ

ЗАПИСКИ самостоятельнОЙ РАБОТЫ

 

ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАДАНИЯ

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Основные реологические свойства водоугольного топлива?

2. Привести основные уравнения реологического состояния вязких неньютоновских жидкостей.

3. Экспериментальное определение начального напряжения сдвига.

4. Как определить эффективную вязкость?

5. Описать принцип работы вискозиметра.

6. Применение метода наименьших квадратов к построению реологических моделей течения ВУТ.

7. По какому параметру оценивается точность модели течения ВУТ?

8. Что такое «низшая теплота сгорания топлива»?

9. Формула для расчета низшей теплоты сгорания.

 

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Зайденварг В.Е. Производство и использование водоугольного топлива / В.Е. Зайденварг, К.Н. Трубецкой, В.И. Мурко. - М.: Издательство Академии горных наук, 2001. - 176с.

2. Бибик Е.Е. Реология дисперсных систем / - Издательство Ленинградского университета, 1981. - 172с.

3. Уилкинсон У.Л. Неньютоновские жидкости. Гидромеханика, перемешивание и теплообмен / - М.: Мир, 1964. - 194с.

4. Мурко В.И. Научные основы процессов получения и эффективного применения водоугольных суспензий // Автореф. дисс. на соиск. уч. ст. докт. техн. наук. - М., 1999. -С.48.

5. Шпирт М.Я. Безотходная технология. Утилизация отходов добычи и переработки твердых горючих ископаемых. / - М.: Недра, 1986.

6. Мурко В.И., Федяев В.И., Хямяляйнен В.А. Физико-технические основы водоугольного топлива. / - Кемерово, Кузбассвузиздат, 2009.

Общие положения

 

Самостоятельная работа по определению физических свойств водоугольных суспензий по дисциплине «Безотходные технологии обогащения и комплексная переработка угля» выполняется в сроки, установленные учебным планом специальности.

Целью работы является закрепление студентами теоретических знаний и практических навыков, полученных в разделе «Физические процессы в нетрадиционных геотехнологиях» при изучении основных физических характеристик водоугольных суспензий. При этом основные физические характеристики определяются механическим состоянием водоугольных суспензий и результатами их сжигания.

Задачами самостоятельной работы являются: построение реологических моделей течения водоугольных суспензий по вискозиметрическим измерениям; определение низшей и высшей теплоты сгорания водоугольных суспензий.

Руководителем самостоятельной работы является преподаватель кафедры ОПИ. Он определяет задание каждому студенту или группе студентов. В задании указываются характеристики исходного материала и полученной из него водоугольной суспензии, физические характеристики которой требуется определить. Задание выдается на специальном бланке с указанием срока защиты, которое прилагается к пояснительной записке (приложение). В обязанности руководителя входят: консультации и контроль за качеством выполнения работы.

Ответственность за достоверность обоснований и расчетов несет студент. Законченная работа сдается на проверку руководителю и защищается ему или комиссии, назначенной заведующим кафедрой.

Результаты выполнения самостоятельной работы могут быть использованы при выполнении дипломных работ или проектов.

Теоретические положения

 

Реологические модели водоугольных суспензий

 

Водоугольные суспензии (ВУС) - это смеси измельченного угля с водой. Для придания суспензии свойств стабильности и необходимой текучести в суспензию вводится небольшое количество реагента - пластификатора. В результате образуется искусственная дисперсная система, представляющая новый вид топлива из угля – композиционное водоугольное топливо.

Для водоугольного топлива важнейшими характеристиками, определяющими его свойства как жидкого топлива, являются реологические параметры и показатели стабильности. Реология выясняет закон, которому подчиняется жидкость при действии на неё деформирующего усилия, а реологические параметры - это коэффициенты, входящие в аналитическую форму закона деформации.

В зависимости от значений реологических параметров водоугольные суспензии проявляют как свойства ньютоновских, так и свойства неньютоновских жидкостей. Для ньютоновских жидкостей уравнение реологического состояния имеет вид:

, (2.1)

где – напряжение сдвига, Па;

– вязкость жидкости, Па · с;

– скорость сдвига, с^-1.

Ньютоновское поведение присуще жидкостям с небольшой молекулярной массой.

В зависимости от вида уравнения реологического состояния неньютоновские жидкости обычно разделяют на три группы:

– вязкие – с реологическими характеристиками, не зависящими от времени;

– нестационарные - их реологические характеристики зависят от времени, в течение которого действует напряжение;

– вязкоупругие – обладают свойствами, как твердого тела, так и жидкости.

Как правило, наиболее распространенные водоугольные суспензии относятся к первой группе, т. е. являются вязкими неньютоновскими жидкостями.

Для неньютоновских жидкостей первой группы имеет место следующее уравнение реологического состояния:

(2.2)

Такие жидкости удобно подразделять на три группы в зависимости от вида функции в уравнении (2.2):

а) бингамовские пластичные жидкости (бингамовские пластики);

б) псевдопластичные жидкости (псевдопластики);

в) дилатантные жидкости.

Обычно для характеристики ВУС используют понятие эффективной динамической вязкости, которая определяется следующим образом:

. (2.3)

Как следует из этого определения и кривой течения, μ _эф переменна и изменяется в зависимости от скорости сдвига. Поэтому μ _эф имеет смысл только для определенного (заданного) значения скорости сдвига.

Реологическое уравнение для бингамовских пластиков можно записать в виде (модель Шведова - Бингама)

; при , (2.4)

где - предел текучести или начальное напряжение сдвига, Па;

- пластическая вязкость или коэффициент жесткости при сдвиге, Па · с.

Объяснение поведения бингамовских пластиков исходит из предположения о наличии у покоящейся жидкости пространственной структуры, достаточно жесткой, чтобы сопротивляться любому напряжению, не превосходящему по величине . Если напряжение превышает , то структура полностью разрушается и система ведет себя как обычная ньютоновская жидкость при напряжениях сдвига . Когда же напряжение сдвига становится меньше , структура снова восстанавливается. В области возникает так называемая стержневая зона течения, в которой жидкость перемещается как твердое тело.

Псевдопластичные жидкости не обнаруживают предела текучести, и кривая течения у них показывает, что отношение напряжения сдвига к скорости сдвига, т.е. эффективная (кажущаяся) вязкость , постепенно понижается с ростом скорости сдвига. График зависимости между напряжением сдвига и его скоростью в логарифмических координатах у псевдопластичных материалов зачастую оказывается линейным. Тогда для описания жидкостей рассматриваемого типа можно установить функциональную эмпирическую зависимость в виде степенного закона. Такая зависимость, впервые предложенная Оствальдом и затем усовершенствованная Рейнером, может быть записана в виде

, (2.5)

где и n являются постоянными (n < 1) для данной жидкости:

- мера консистенции жидкости - чем выше вязкость жидкости, тем больше , Па · сⁿ;

n – характеризует степень неньютоновского поведения материала, и чем больше n отличается от единицы, тем отчетливее проявляются его неньютоновские свойства.

Дилатантные жидкости сходны с псевдопластиками тем, что в них также отсутствует предел текучести, однако их кажущаяся вязкость повышается с возрастанием скорости сдвига. Степенной закон и в данном случае оказывается пригодным, но показатель степени n уже будет превышать единицу.

У неньютоновских жидкостей второй группы напряжение сдвига определяется не только скоростью сдвига, но и временем воздействия. При этом если с течением времени при постоянной скорости сдвига напряжение сдвига уменьшается, то жидкость относится к тиксотропной, а если возрастает – то к реопектической. После снятия возмущения структура жидкости постепенно восстанавливается. Причем, если в начале скорость сдвига возрастает, а затем убывает, то возникает явление гистерезиса. Тиксотропия наблюдается как у жидкостей псевдопластического, так и пластического типов.

Вязкоупругие жидкости третьей группы в той или иной степени проявляют как свойства твердого тела (упругое восстановление формы), так и жидкости (вязкое течение).

 

12Следующая ⇒

Поделиться: